Розглянуто зміни в галузі космічної діяльності пов'язані з практикою використання малих космічних апаратів. Радикальна відмінність полягає в створенні многоспутнікових орбітальних угруповань, що забезпечують безперервне оновлення даних спостережень. Відносно низька величина витрат на розробку, виготовлення і виведення на орбіту пояснює перетворення малих супутників в масовий продукт, доступність їх використання в освітньому процесі, дистанційного зондування Землі, моніторингу надзвичайних ситуацій та стихійних лих, для відпрацювання нових технологій і систем, в наукових дослідженнях космічного простору і Землі. Широке застосування малих космічних апаратів служить стимулом розробки інноваційних технологій вдосконалення службових систем і цільової апаратури супутників. Виявлено основні проблеми використання малих апаратів в російській космічній галузі та запропоновано їх рішення на шляху розробки вітчизняного стандарту малих супутників.

Анотація наукової статті з енергетики та раціонального природокористування, автор наукової роботи - Гансвінд І.М.


SMALL SPACECRAFT - NEW DIRECTION IN SPACE ACTIVITIES

The article considers changes in the field of space activities associated with the use of small spacecraft. Radical difference is in the creation of multi-satellite orbital groupings providing continuous updating of observational data. The cost of the development is relatively low, as well as manufacturing and launching into orbit which explains the transformation of small satellites into a mass product, the availability of their use in the educational process, remote sensing of the Earth, monitoring of emergencies and natural disasters, introducing them into the development of new technologies and systems, outer space research and the Earth. Widespread use of small spacecraft is an incentive for the development of innovative technologies aimed at improving service systems and satellite target equipment. The main problems of using small spacecraft in the Russian space industry are identified and their solution on the way of developing the domestic standard of small satellites is proposed.


Область наук:
  • Енергетика і раціональне природокористування
  • Рік видавництва: 2018
    Журнал: Міжнародний науково-дослідний журнал
    Наукова стаття на тему 'МАЛІ КОСМИЧЕСКИЕ АПАРАТИ - НОВИЙ НАПРЯМОК космічної ДІЯЛЬНОСТІ'

    Текст наукової роботи на тему «МАЛІ КОСМИЧЕСКИЕ АПАРАТИ - НОВИЙ НАПРЯМОК космічної ДІЯЛЬНОСТІ»

    ?DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2018.78.12.053

    МАЛІ КОСМИЧЕСКИЕ АПАРАТИ - НОВИЙ НАПРЯМОК космічної ДІЯЛЬНОСТІ

    Наукова стаття

    Гансвінд І. Н. *

    ORCID: 0000-0002-9468-6490, Науковий геоінформаційний центр РАН (НГІЦ РАН), Москва, Росія

    * Корреспондирующий автор (ignik-1g [at] yandex.ru)

    Анотація

    Розглянуто зміни в галузі космічної діяльності пов'язані з практикою використання малих космічних апаратів. Радикальна відмінність полягає в створенні многоспутнікових орбітальних угруповань, що забезпечують безперервне оновлення даних спостережень. Відносно низька величина витрат на розробку, виготовлення і виведення на орбіту пояснює перетворення малих супутників в масовий продукт, доступність їх використання в освітньому процесі, дистанційного зондування Землі, моніторингу надзвичайних ситуацій та стихійних лих, для відпрацювання нових технологій і систем, в наукових дослідженнях космічного простору і Землі. Широке застосування малих космічних апаратів служить стимулом розробки інноваційних технологій вдосконалення службових систем і цільової апаратури супутників. Виявлено основні проблеми використання малих апаратів в російській космічній галузі та запропоновано їх рішення на шляху розробки вітчизняного стандарту малих супутників.

    Ключові слова: малі космічні апарати, орбітальні угруповання, дистанційне зондування Землі, космічні дослідження, університетські розробки, супутникові платформи і цільова апаратура.

    SMALL SPACECRAFT - NEW DIRECTION IN SPACE ACTIVITIES

    Research article

    Ganswind I.N. *

    ORCID: 0000-0002-9468-6490, Scientific Geo-information Centre of the Russian Academy of Sciences (SGIC of RAS), Moscow, Russia

    * Corresponding author (ignik-1g [at] yandex.ru)

    Abstract

    The article considers changes in the field of space activities associated with the use of small spacecraft. Radical difference is in the creation of multi-satellite orbital groupings providing continuous updating of observational data. The cost of the development is relatively low, as well as manufacturing and launching into orbit which explains the transformation of small satellites into a mass product, the availability of their use in the educational process, remote sensing of the Earth, monitoring of emergencies and natural disasters, introducing them into the development of new technologies and systems, outer space research and the Earth. Widespread use of small spacecraft is an incentive for the development of innovative technologies aimed at improving service systems and satellite target equipment. The main problems of using small spacecraft in the Russian space industry are identified and their solution on the way of developing the domestic standard of small satellites is proposed.

    Keywords: small spacecraft, orbital constellations, remote sensing of the Earth, space research, university developments, satellite platforms and target equipment.

    Вступ

    Супутники на низьких навколоземних орбітах відкрили можливість експлуатації такого ресурсу космосу, як отримання зображень будь-якої ділянки планети і об'єктів її поверхні. Цей ресурс насамперед був використаний в інтересах видовий розвідки, пред'явила до космічної зйомки вимоги високодетального дозволу на місцевості і точної геоприв'язки.

    У 1992 році був прийнятий «Закон про політику США в галузі дистанційного зондування Землі» (Land Remote Sensing Policy Act), котрий дозволив створювати приватні супутники спостереження Землі. До першого покоління комерційних супутників з високою роздільною здатністю відносяться Iconos і Quick Bird з порівнянними характеристиками знімальних систем і якістю зображень земної поверхні. Виготовлений корпорацією Lockheed Martin для компанії GeoEye перший комерційний супутник субметрового дозволу, 0.81 м в панхроматичному каналі, Ikonos активно пропрацював 16 років (1999 - 2015).

    Джерелом фінансування для створення і запуску двох комерційних апаратів дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) другого покоління з просторовим дозволом краще 0.5 м WorldView-1 і GeoEye-1 компаній Digital Globe і GeoEye стало Управління геопросторової розвідки NGA (National Geospatial-Intelligence Agency), зацікавлені в залученні ресурсів комерційних КА для вирішення завдань оглядової видовий розвідки [1, C. 151]. Супутники третього покоління, що володіють 30-сантиметровим просторовим дозволом, World View-3, виведений на сонячно-синхронну орбіту в серпні 2014 року, і World View-4 (раніше GeoEye-2), запущений в листопаді 2016 року, забезпечили компанії Digital Global лідируюче положення на світовому ринку геоданих.

    Разом з вдосконаленням знімальних і службових систем збільшувалася і маса супутників: якщо маса КА Ikonos становила 726 кг, то маси World View-2 і World View-3 досягали 2800 кг. Зростання маси КА тягне за собою різке подорожчання вартості проекту. Загальна вартість нового супутника сверхдетального спостереження в угрупованні, World View-4, з урахуванням запуску і страхування склала 835 млн доларів.

    Переважання на світовому ринку геоданих, що надходять в основному від супутників, що відповідають на запити видовий розвідки, пояснює труднощі в рішенні проблем збору даних про природні ресурси, стан біосистем, навколишньому середовищу і т.п. У дистанційному зондуванні Землі склалася парадоксальна ситуація, коли при наявності на навколоземних орбітах багатьох супутників дистанційного зйомки не забезпечений огляд з мінімальним тимчасовим інтервальним будь-якого району Землі в разі стихійного лиха або природно-технічної ситуації небезпечного характеру, коли виникає необхідність оперативної оцінки обстановки та інформаційного забезпечення аварійно -рятувальний робіт. Вирішення цієї проблеми було знайдено на шляху створення міжнародної хартії «Космос і стихійні лиха», яка відкрила можливість в разі стихійних лих використовувати знімки з супутників, що належать приватним компаніям, національним і міжнародним космічним агентствам.

    Потреба в систематичній суцільний зйомці всієї земної поверхні з мінімальним часовим інтервалом між переглядами будь-якого району Землі при виправданих витратах викликала докорінні зміни сформованої структури космічних засобів ДЗЗ і методів представлення геоданих. Перехід від детальної зйомки тих чи інших об'єктів або територій до систематичної глобальної зйомці дозволив забезпечити регулярну оновлюваність реєстрового покриття і усунути неоднакову деталізацію і / або разновременность даних в покритті зйомкою окремих територій. Супутникові навігаційні системи, регіональні (європейська, китайська) і глобальні (GPS, ГЛОНАСС), кардинально спростили отримання координатної інформації і дозволили перейти до використання в геопродуктах географічних координат замість картографічних, що дозволяє геометрично коректно цілком уявити Землю у формі цифрового глобуса. Необхідність обробки оновлюваних аерокосмічних зображень глобального охоплення і забезпечення доступу до них споживачів привела до нового підходу в роботі з географічною інформацією, що об'єднав можливості космічних, геоінформаційних та мережевих технологій - геопорталів і інтерфейсів. Карти Google і Google Earth, проект в рамках якого в мережі Інтернет розміщено супутникові та аерофотоізображенія всієї земної поверхні з використанням тривимірної моделі за допомогою інтерфейсів DirectXі OpenGL

    Систематична глобальна зйомка забезпечується досить великим числом супутників ДЗЗ, розташованих на однакових по висоті і нахиленню орбітах. Створення, розгортання і подальша експлуатація супутникових угруповань при виправданих витратах стало можливим завдяки мініатюризації і здешевленню виробництва космічних апаратів. Можливість мініатюризації конструкції космічного апарату (КА), службових і знімальних систем без шкоди для функціональних характеристик забезпечили досягнення в галузі електроніки, обчислювальної техніки, матеріалознавства [2, C. 15-23].

    Становлення, початковий етап і напрямки розвитку малих космічних апаратів

    Малі космічні апарати з'явилися як дослідні зразки досліджень і розробок виконаних в університетах США, Великобританії, Канади та Японії в рамках освітнього процесу підготовки фахівців з особистим досвідом в супутникових технологіях, космічному приладобудуванні, аналізі наукових даних і в техніці моделювання.

    Малі супутники стандарту Cube Sat типорозміру 10х10х10 см з масою близько 1 кг запропонував Роберт Твіґґс (Robert Twiggs), професор Стенфордського університету (Пало-Альто, шт. Каліфорнія, США), маючи на увазі, що кожен зможе створити власний наносупутник. Вартість «кубсата» оцінювалася в 50 тис. Доларів з урахуванням цільової апаратури і запуску в складі додаткового вантажу. Ендрю Калман (E. Kalman), засновник фірми Pumpkin Inc і консультант цього університету, допоміг Р. Твіґґс скоротити час виготовлення «кубсата» до декількох місяців відповідно до навчального плану.

    Компанія Pumpkin Inc випустила на ринок типовий набір CubeSatKit для збірки «кубсатов». Набір складається з алюмінієвого корпусу, модуля з материнською платою, пам'яттю, стандартної електронікою, програмного забезпечення з використанням протоколів SpacePlug-and-Playarchitecture (SPA-1) і процесорів, які пройшли випробування на вібростенді, в термо- і барокамері. Вартість набору 7500 доларів. У 2010 році Pumpkin Inc почала виробляти CubeSatKit 3Щля наноспутників розміру 10х10х34 см і масою 4.5 кг. Моделі 1U - 3Штносятся до наносупутник, котрий обіймав в міжнародній класифікації по масі місце між пікоспутнікамі (до 1 кг) і мікросупутниками (від 10 до 100 кг).

    Стандартизація дозволила скоротити час розробки КА від задуму до готовності до запуску і витрати на виробництво. Відмова від комплектуючих космічного призначення і перехід до електроніки з каталогів (components-off-the-shelf), використання програмованих логічних інтегральних схем (ПЛІС) призвели до зниження вартості моделі 1U CubeSat до 65-80 тис. Доларів, близько половини з них припадає на послуги із запуску. При переході від великих КА (з масою, що перевищує 1000 кг) до наносупутник витрати на один кілограм маси знижуються з 3.16 млн до 0.4 млн доларів [3, C. 15-23].

    Систематичну глобальну зйомку поверхні Землі виконує угруповання МКА фірми Planet для якої були виведені на сонячно-синхронну орбіту (ССО) 5 МКА SkySat і 12 Flock-2p, з борту МКС запущено 8 Flock-2E [4, C. 49-51]. Супутники SkySat масою 120 кг мають просторову роздільну здатність в панхроматичному каналі 0.72 м; таким дозволом мав великий і дорогий супутник Iconos, запущений у вересні 1999 р У 2017 році супутникове угруповання ДЗЗ фірми Planet доповнили 139 супутників Flock різних модифікацій і 6 SkySat, виведених на толнечно-синхронну орбіту (ССО) [5. C. 22-25].

    Значення етапів життєвого циклу наноспутників в порівнянні з великими істотно змінилося. Обмеження за обсягом і масі унеможливили резервування систем і інші заходи підвищення надійності, якщо вони пов'язані зі збільшенням маси. Запуск відразу багатьох однотипних апаратів дозволяє виявити більшу частину зауважень і недоліків, тому льотно-конструкторські випробування виходять на передній план в усуненні недоробок і прорахунків.

    Mногократное зниження витрат на розробку, виготовлення і виведення на орбіту дозволило використовувати малі космічні апарати (MKA) для відпрацювання і отримання льотної кваліфікації нових елементів і систем апаратів, вдосконалення їх характеристик.

    Підтримка орбітальної структури супутникового угруповання передбачає наявність на борту рухової установки, однак оснащення MKA коригуючих двигуном стримується ваговими обмеженнями. Вимоги до руховій установці і запасу характеристичної швидкості визначається завданням розведення космічних апаратів по фазі в кожній з орбітальних площин і підтримки фази при експлуатації, витратами на компенсацію атмосферного гальмування.

    Операційні супутники SkySat надвисокої роздільної здатності, що входять в угруповання малих KA ДЗЗ компанії Planet оснащені руховою установкою HPGP-101 (High Performance Green Propellant) на малотоксичних однокомпонентному паливі LMP-1035, розробленому голандсько-шведською компанією ECAPS. Паливо, дінітроамід амонію (ADN) з щільністю 1.84 г / см3, при нагріванні до температури вище 135 оС починає термічно розкладатися на азот, кисень і воду. Mонотопліво на основі водно-спиртового розчину ADN розглядається як заміна гідразину. Чотири мікродвигуна рухової установки тягою по 1 Н кожен мають питомий імпульс до 235 сек, працюючи при температурі 1600оС. Розмір супутників SkySat другого покоління виготовлених фірмою SpaceSystems / Loral (SS / L) 60х60х95 см для розміщення ДУ збільшений на 15 см, а маса зросла на 30 кг і склала 120 кг. В якості альтернативи рідинним двигунів розглядаються електрореактивних рухові установки.

    Супутники-кубсати розміру 1,5 U з масою 2,2 кг Aerocube 8C і Aerocube 8D виведені на ССО ракетою-носієм Atlas V 11 листопада 2016 року в складі попутного вантажу з семи наноспутників для демонстрації технологій в інтересах NRO, наприклад, рішень на основі вуглецевих нанотрубок. Однак, основним завданням є демонстрація масштабируемой іонної електрореактивних установки SiEPro (Scalable Ion-ElectroSpray Propulsion System).

    Aвстрійскій Pegasus, виведений на ССО в груповому запуску з сімома іншими наносупутник проекту QB 50 індійської ракетою PSLV-38 23 червня 2017 року використає імпульсний електричний ракетний двигун (ЕРД) MРРТ (Miniaturized Plasma Thruster), що складається з чотирьох камер, розміщених на одній платі. Кожна камера масою 294 г споживає потужність 2,5 Вт. Двигун забезпечує запас характеристичної швидкості 5,5 м / с.

    Перетворення малих космічних апаратів в масовий продукт посилює проблему космічного сміття і ставить задачу відомості супутників з низької орбіти шляхом збільшення аеродинамічного гальмування, а також управління рухом за допомогою сонячного вітрила. Британський потрійний кубсат Inflate Sail масою 4 кг відноситься до наносупутник проекту QB 50, як і Pegasus, і виведений на орбіту разом з ним.

    Супутник створений компанією SSC при Суррейском університеті для випробування, що розгортається плівкового вітрила площею 10 кв. м. Після його розкриття середня висота орбіти з 24 червня по 17 липня зменшилася з 496 до 475 км. Разом з Inflate Sail на орбіту запущений німецький Drag Sail аналогічного призначення. Розгортається парус для відомості з орбіти має на борту канадський CanX-7, потрійний кубсат масою 3,5 кг, запущений індійської ракетою PSLV-G, C35 26 вересня 2016 року в груповому запуску семи MKA.

    Mалий космічний апарат "Літаючий ноутбук" (Flying Laptop), виведений на ССО висотою близько 600 км ракетою космічного призначення "Союз-21A" з розгінним блоком "Фрегат-M" 14 червня 2017 року кластері з 72 попутних навантажень, об'єднує майже всі напрямки використання малих супутників - технологічні та демонстраційні, ДЗЗ, наукові експерименти, прикладні завдання. Супутник розміром 60х70х90 см з масою 110 кг розроблений Інститутом космічних систем IRS в Штутгарті, ФРН для демонстрації та сертифікації нових технологій для MKA. Платформа з блоками управління і розподілу харчування володіє вбудованими інтелектуальними властивостями: виявлення і локалізація відмов, відновлення працездатності мікропроцесора UT699LEON3FT, на базі якого розроблено високопродуктивний основний бортовий комп'ютер. Нова апаратура службових систем, яка проходить відпрацювання в натурних умовах: літій-залізо-фосфатні (LiFePO4) акумуляторні батареї; система орієнтації з точністю краще 2,5 кут. хвилин; експериментальна система високошвидкісної лазерної зв'язку (швидкість передачі даних до 100 Мбіт / с); група ефективних фотоелектричних елементів; ПЛІС з функцією підтримки корисних навантажень. Зйомка мультиспектрального камерою MICS виконується під різними кутами для вивчення двопроменевий функції розподілу відбитого світла BRDF і проводиться в "прожекторному" режимі відстеження об'єкта в поле зору. Наукова програма складається в спільному з Технічним університетом Данії (DTV) експерименті по застосуванню зоряних датчиків для виявлення астероїдів, що зближуються із Землею.

    Прикладне застосування - моніторинг руху морських суден за допомогою приймача сигналів системи автоматичної ідентифікації AIS (Automatic Identification System) в поєднанні зі знімальною системою MICS. Радіосигнали від судів надходять на частотах УКХ і містять мітки ідентифікації, розташування і швидкості судна.

    Супутники низькоорбітального угруповання компанії Spire Global Lemur-2 можуть нести різну корисне навантаження:

    1. Aппаратуру SENSE з приймачем сигналів AIS;

    2. Aппаратуру STRATOS, що складається з GPS-приймачів, що дозволяє вимірювати тимчасову затримку і кут рефракції при проходженні сигналів системи GPS через атмосферу. Затемнювані спостереження атмосфери групою супутників приносять дані про температуру, тиск та вологість на різних висотах.

    Перші чотири супутники Lemur-2 були виведені на ССО висотою 650 км з індійського космодрому Шаріхарікота ракетою-носієм PSLV-C30 (Polar Satellite Launch Vehicle) 28 вересня 2015 р разом з іншими попутними MKA. У 2016 р 8 MKA Lemur-2 були запущені з M ^ і 4 виведені на ССО. У 2017 8 Lemur-2 з апаратурою SENSE вивела на ССО РН PSLV-C37. У запуску PHPSLV-XL C40 серед інших попутних навантажень виведені 4 Lemur-2.

    В космічній діяльності Великобританії провідну роль відіграє компанія Surrey Technology Ltd (SSTL), родоначальником якої є Університет Суррея, розташований в місті Гілфорд, графство Суррей.

    Освічена як spin-off компанія на базі університетських розробок і його космічного центру Surrey Space Center (SSC) з ініціативи сера Мартіна Світінг (Martin Sweeting) в 1985 році, SSTL стала світовим лідером в технології малих супутників. У процесі розгортання угруповання DMC (Disaster Monitoring Constellation) для спостереження за обстановкою в місцях стихійних лих на орбіту виведено більш десяти супутників трьох поколінь з оптичною апаратурою, здатні відвідувати один і той же район Землі щонайменше один раз на добу. Супутники угруповання належать урядовим організаціям різних країн - Алжиру, Іспанії, Канади, Нігерії, Великобританії, Туреччини та Китаю. Країни-власники супутників використовують зйомку в своїх інтересах, виділяючи частину ресурсів для моніторингу небезпечних природних явищ та їх наслідків. У 2016 році індійської ракетою PSLV-G C35 виведений на ССО алжирський супутник ДЗЗ AlSat-1B класу міні, побудований на платформі SSTL-100. На основі платформ SSTL-100 і -150 розроблена платформа третього покоління SSTL-300S1 з масою 218 кг володіє функціями службових систем електропостачання, управління орієнтацією та навігації, корекції орбіти, терморегулювання, обробки і управління даними. Супутники DMC 3 зі стартовою масою 447 кг, що використовують цю платформу мають на борту електрореактивних рухову установку, розвиваючу тягу від 10 до 100 мН, яка при сумарних витратах ксенону 12 кг забезпечує запас характеристичної швидкості 15 м / с.

    У запуску PH PSLV-XL C40 12.01.2018 серед інших попутних навантажень виведений на ССО створений SSTL супутник Carbonite-2 з масою 100 кг на платформі SSTL-42 для демонстрації можливостей використання дешевого МКА для зйомки і передачі відео з орбіти. Використовуються комерційно доступні телескопи з апертурою 0,25 м і HD-відеокамера.

    Дозвіл системи отримання зображень 1-1,5 м, ширина смуги відеозйомки близько 5 см. В кінці місії буде розгорнуто гальмівний вітрило, створений в Університеті Кренфілда (Cranfield University). Перший апарат серії був виведений на орбіту РН PSLV C28 липні 2015 року під назвою SВNT-1.

    Глобальний сільськогосподарський моніторинг здійснює угруповання з п'яти супутників RapidEye масою по 154 кг, побудованих на платформі Microsat-150 компанії SST. Знімальна оптикоелектронні система (ОЕС) видимого та ближнього ІК діапазонів і каналу на ближньому краю (690-730 нм) розроблена компанією «Jena-Optonic GmbH» [1, C. 311, 312]. У вересні 2015 г.ета угруповання перейшла під управління компанії Planet і увійшла до складу угруповання супутників Flock і SkySat.

    Російські супутники ДЗЗ середнього розміру (від 500 до 1000 кг) «Канопус» також побудовані на платформі SSTL-300S1 з розмірами 0,9х0,9х0,75 м. Запущений 14.02.2017 р на ССО висотою близько 500 км супутник «Канопус-В ик »крім панхроматичною і мультиспектрального камер має інфрачервоної апаратурою з двома спектральними каналами призначеної для моніторингу тепловиділення з просторовим дозволом 200 м і енергетичним дозволом дозволяє виділяти осередки горіння 5х5 м з точністю геоприв'язки 100 м. На борту встановлені два плазмових двигуна СПД 500 розробки ОКБ «Факел» тягою 14 мН з запасом ксенону 26 кг. «Канопус-В-ІК» увійшов в угруповання з КА «« Канопус-В »№3 і №4 запущеними з космодрому« Східний »в лютому 2017 г. [6, C. 40-47].

    Супутник Німецького космічного агентства DRL BIROS (Berlin InfraRed Optical System) запущений 22.06.2016 р PH PSLV-XL на ССО висотою близько 500 км призначений для протипожежного моніторингу і обладнаний трьома знімальними камерами: одна видимого та ближнього інфрачервоного діапазонів і дві двоканальні ІК спектра з вакуумним охолодженням. Мінісупутників масою 130 кг має ДУ на стиснутому газі з двома мікродвигунами тягою по 0,1 Н з запасом характеристичної швидкості 10 м / с. Бортова обробка зображень трьох камер служить для формування інформаційного продукту FireProducts: координати і час виявлення, температура горіння, площа вогнища, довжина палаючої кромки і ін. Однотипний КА ТЕТ-1, запущений в 2012 році разом з ним утворює систему FireBird для оперативного детектування термоточек і температурних аномалій.

    Супутникові платформи, службові системи і цільова апаратура

    Угруповання компанії Planet з місією щодня отримувати зображення всієї поверхні Землі при вирішенні не гірше 5м, складається з понад 200 діючих супутників Dove (Flock) [7, C. 30 - 36], 13 супутників субметрового дозволу SkySat і знаходиться під управлінням компанії Planet системи глобального сльскохозяйственного моніторингу RapidEye.

    Основою конструкції KA Flock і SkySat служить стандарт CubeSat. Наносупутник Flock, кубсат 3U, має при старті габаріти10х10х32 см і масу 5-6 кг (рис. 1). Цільова апаратура, оптико-електронна система з телескопом системи Максутова- Касегрена, діаметр апертури якого 91 мм і фокусна відстань 11460 мм, займає ьолее 90% обсягу наноспутніка..Служебние системи: управління рухом і орієнтації, елекроснабженія, управління бортовим комплексом і взаємодією з наземної інфраструктурою займають решту обсягу в 0,25 л. Рекордна щільність компонування досягнута завдяки микроминиатюризации комплектуючих, електроніки та МЕМС (мікроелектромеханічних систем), а також схемним рішенням: спільне використання ресурсів (процесорів, ПЛІС) різними системами при відсутності бортовий кабельної мережі як такої.

    ?7 *

    Мал. 1 - Наносупутник Flock-3M 3U CubeSat з масою близько 5 кг. Роздільна здатність знімків 3-5 м

    Супутники SkySat (рис. 2) розміщені в чотирьох орбітальних площинах, розведення апаратів по фазі в кожній з них і підтримку структури угруповання при експлуатації досягається за допомогою КДУ складається з чотирьох мікродвигунів тягою по 1 Н, що працюють на «зеленому» паливі LMP-1035. Маса супутника близько 110 кг, габарити (в польоті) 0,6х0,6х0,95 м. Створена стартапом SkyBox Imaging (пізніше Terra Bella) запатентована знімальна апаратура дозволяє отримувати в панхроматичному діапазоні спектра зображення з роздільною здатністю 90 см при зйомці в надир в чотирьох спектральних каналах зі стандартною розстановкою RGB і ближньому ІЧ (дозвіл на місцевості 2 м). Можлива також відеозйомка з роздільною здатністю 1,1 м в панхроме з частотою 30 кадрів в секунду.

    Маса корисного навантаження складає 23 кг, телескоп виконаний за схемою Річі-Кретьєна, не має сферичної аберації і коми, діаметр апертури 35 см, фокусна відстань 3,6 м. Гіперболічні дзеркала телескопа виготовлені з карбіду кремнію. Точність наведення на ціль оптичної осі телескопа ± 0,1о досягається за допомогою двох зоряних датчиків ST-16 фірми Sinclair Interplanetary. Прилад масою 90 г з розмірами 59х56х32 мм забезпечує вимір положення в абсолютній системі координат з точністю близько 10 кут. секунд. Високу продуктивність зйомки забезпечує перенацеливание зі швидкістю 3 кут. градуси / сек з прискоренням 1,5 угл.градуса / с 2 при відхиленні від надира на 20 кут. градусів. При маневрах двигуни-маховики споживають до чверті середньо-витковой потужності СЕС складової 120 Вт [8].

    Стандарт CubeSat, розроблений для використання в освітньому процесі дозволяє створювати універсальні супутники для вирішення досить складних наукових завдань. Терміни розробки проекту в частині службових систем скорочує використання системи управління рухом та орієнтацією XAST (fleXible ADCS Cube Sat Technology) фірми Blue Canyon Technologies, що займає обсяг 0,5 U в кубсате обраного формфактору. Фірма BCT (Blue Canyon Technologies) розробила модифікуються систему управління рухом і орієнтацією для космічних апаратів з розмірами від великого «кубсата» до мікросупутників з масою 100 кг.

    Космічні апарати з розмірами більшими, ніж у «кубсата» класу 24U з габаритами 50х50х75 см, маса яких не перевищує 80 кг, проектуються за модульним принципом: цільова апаратура встановлюється на платформі, що забезпечує умови для її функціонування. Платформа має службовими системами, до них відноситься система орієнтації і управління рухом, система енергопостачання з сонячними батареями і акумуляторами, система управління бортовим комплексом, збором і обробкою цільової і телеметричної інформації для передачі по лінії борт-земля при взаємодії з наземною інфраструктурою. Відношення маси корисного навантаження до загальної маси КА - один з найважливіших критеріїв досконалості КА. Чим менше важить платформа, тим більше корисного вантажу можна доставити на робочу орбіту, тому платформи оптимізуються під масу корисного навантаження.

    Мал. 2 - мінісупутників SkySat-1, маса - 120 кг. Дозвіл знімків - 0,9 м

    Проект Black Sky Global передбачає формування до 2020 року орбітального угрупування з 60 супутників ДЗЗ для глобальної мультиспектрального зйомки і відеозйомки з метровим просторовим дозволом. Перший експериментальний супутник Black Sky Pathfinder-1 розроблений на базі платформи Sentry-400 з габаритами 0,84x0,98x0,41 м Рухова установка працює на стисненому бутані і при масі газу 3,6 кг забезпечує запас характеристичної швидкості 60 м / с До складу майбутньої угруповання увійдуть два апарати на полярних орбітах і 58 КА в восьми площинах на похилих орбітах в розрахунку на максимальну частоту перегляду до 40-70 прольотів на добу для районів з широтами між ± 55о, де проживає 90% населення Землі. Наземний комплекс буде мати у своєму розпорядженні сімнадцятьма станціями прийому та управління [9. C. 57, 58].

    Масово-геометричні характеристики кубсатов з невеликим навантаженням на мидель при довільній орієнтації апарату, нестійкого в набігає потоці призводять до суттєвого аеродинамічному гальмування на висоті орбіти МКС. Щоб менше гальмувати, супутник повинен бути орієнтований торцем корпусу і ребром сонячної батареї до потоку. Наноспутники Flock не оснащені ДУ, тому для підтримки структури угруповання була створена і відпрацьована в польоті методика модулювання аеродинамічного опору супутника за допомогою зміни його орієнтації. Розведення по фазі 28-ми МКА зайняло 35 діб, при цьому було уточнено значення коефіцієнтів аеродинамічного опору (Foster C.et al, 2016). Термін балістичного існування більшості МКА, запущених з МКС, не перевищує одного року. Так за 2014 рік успішно виведений з МКС 51 наносупутник, однак, до кінця року припинили існування через гальмування в атмосфері 28 КА серії Flock-1a. У 2015 році з МКС запущені 50 МКА п'ятьма групами, але з них лише 38 збереглися на цій висоті.

    висновок

    Потреба в систематичній суцільний зйомці земної поверхні з мінімальним часовим інтервалом між переглядами будь-якого району з прийнятними витратами привела до корінних змін структури космічних засобів ДЗЗ. Перехід від зйомки тих чи інших об'єктів або територій важкими супутниками сверхдетального дозволу до систематичної глобальної зйомці забезпечили многоспутніковие угруповання МКА на низьких навколоземних орбітах при підтримці структури розміщення супутників в декількох орбітальних площинах і заповненні чисельності після закінчення терміну активного існування або сходу апарату з орбіти.

    Попутний запуск ракетами середнього класу не відповідає вимозі швидкого і гнучкого доступу МКА в космос оскільки терміни запуску попутних навантажень визначаються основною місією ракети-носія. Створення легкого носія дозволить знизити витрати на виведення кілограма маси і задовольнити зростаючий попит на послуги запуску малих супутників. Існує стійка тенденція зменшення маси космічних апаратів, за прогнозом Space Works до 2022г буде запущено близько трьох тисяч КА масою до 50 кг, що в рази більше очікуваної кількості пусків великих з масою перевищує 1000 кг.

    Супутникові навігаційні системи дозволили перейти до використання географічних координат замість картографічних і геометрично коректно представити Землю в формі цифрового глобуса. Необхідність обробки оновлюваних зображень глобального охоплення обсягом близько 4,5Тбайт на добу призвела до нового підходу в роботі з геоданих, що об'єднав можливості аерокосмічних, геоінформаційних та мережевих технологій - геопорталів і інтерфейсів і створити проект, в рамках якого в мережі Інтернет розміщено карти Google і Google Earth . Через он-лайн - сервіс Planet Platform доступний сервіс "Моніторинг надзвичайних ситуацій та стихійних лих," що дозволяє за запитом отримати дані необхідні для прямих заходів реагування, планування відновлювальних операцій в ході розвитку ситуації.

    Перші МКА з'явилися як дослідні зразки в результаті досліджень і розробок, виконаних в рамках освітнього процесу в університетах США, Великобританії, Канади та Японії.

    NASA надає підтримку університетським проектам, що використовують МКА для вирішення наукових і прикладних задач. Навчальний заклад, яке уклало з NASA угоду про співпрацю, отримує фінансування в розмірі 100 тис. Доларів на рік протягом двох років і доступ до наземного обладнання агентства для спільної роботи. В рамках програми технології малих космічних апаратів SSTP (Small Spacecraft Technology Program) щорічно визначають від п'яти до десяти переможців.

    Російські університети можуть брати участь в програмі безкоштовного запуску своїх супутників на російських засобах виведення. Цією можливістю користуються в основному університети, які співпрацюють з підприємствами ракетно-космічного комплексу.

    Протягом декількох років студенти і фахівці Самарського державного аерокосмічного університету у взаємодії з АТ РКЦ "Прогрес" брали участь в розробці і проектуванні супутників АІСТ - 1 і -2 з розміром 47x56x48см і масою 39кг. Як науково - освітніх ці супутники використовувалися для відпрацювання службових систем і вивчення впливу зовнішнього середовища на конструкцію. Супутник ДЗЗ середнього розміру "Лелека-2Д" масою 531кгзапущен з космодрому "Східний" ракетою-носієм "Союз - 2,1а" 26квітня 2016р разом з науковим супутником "Ломоносов" [10, C. 49].

    Під час виходу у відкритий космос Федір Юрчихін і Сергій Рязанський 17.08.2017 р вручну запустили на орбіту МКС два кубсата «Танюша» ЮЗГУ формату 3U 10х10х30 см з масою 4, 65 кг і такого ж формату супутник «Томськ-ТПУ-120» присвячений 120 річчю Томського державного університету, доставлений на МКС ще в квітні 2016 года [11, C. 19-23].

    Мікросупутник «Бауманец» був створений в результаті співпраці МГТУ ім. Баумана з ФГУП НВО «Машинобудування» до 175-річчя університету. Супутник в формі куба з ребром 70 см і масою 87 кг мав на борту оптико-електронну знімальну систему і наукову апаратуру для вивчення проходження міліметрових радіохвиль в атмосфері. При невдалому запуску конверсійної ракети «Дніпро» 26 липня 2006 року було втрачено.

    Роботи по супутнику «Бауманец-2» проводили протягом декількох років. Мінісупутників зберіг форму куба з ребром 70 см, мав корисним навантаженням масою 116,5 кг з оптико-електронної знімальному системою, що має дозвіл 18-38 м в чотирьох спектральних діапазонах. Бортова обчислювальна машина була створена з

    комерційних комплектуючих. Запуск з космодрому «Східний» 28.11.2017 р через помилки в польотному завданні розгінного блоку "Фрегат" виявився невдалим і «Бауманец-2» був втрачений.

    Після втрат «Бауманцев» невдачі з виведенням на орбіту університетських малих супутників не припинилися. У липні 2017 з запущених ракетою-носієм «Союз-2.1а" космічних апаратів в непрацездатному стані через неполадки в системі управління розгінним блоком «Фрегат-М» виявилися три університетських супутника. Серед них одинарний кубсат масою 1 кг «Еквадор-Іті-ЮЗГУ», створений з освітніми та науковими цілями студентами Південно-Західного державного університету (м Курськ) і Екваторіального технологічного університету ИТЕ (Universitat Technological Equinoccial, м Кіто, Еквадор). Ще один з втрачених - потрійний кубсат Московського авіаційного інституту «Іскра-МАІ-85» 10х10х30 см з масою 4 кг виконував льотну кваліфікацію платформи з системою орієнтації, розробленої ВНІІЕМ. Третій - потрійний кубсат «Маяк», що має масу 3,55 кг, з системами електроживлення і управління бортовим комплексом від БЦВМ для розгортання в космосі відбивача сонячного світла. Супутник був створений ініціативною групою за участю Московського політехнічного інституту на кошти, зібрані на платформі BoomStarter і завдяки сприянню НДІКА ЦПТА (Центр перспективних технологій і апаратури), НИИЯФ МГУ.

    Росія має в своєму розпорядженні можливостями створення МКА для широкої області застосувань і засобів їх виведення, але упускає перспективи присутності на зростаючому ринку МКА. Потреба в малих супутниках для створення великих угруповань різного призначення призводить до необхідності розробки вітчизняного стандарту МКА з метою зниження витрат на проектування, виробництво, відпрацювання та випробування і скорочення термінів реалізації проектів. Дієва підтримка університетських розробок науково-освітніх МКА поряд з підвищенням якості підготовки фахівців ракетно-космічної галузі відкрив би можливості інноваційного вдосконалення техніки. Масштабний проект розробки і створення МКА привів би до розширення використання ресурсів космосу і досягненню світової конкурентоспроможності на ринку малих супутників.

    Конфлікт інтересів Conflict of Interest

    Не вказано. None declared.

    Список літератури

    1. Лебедєв В. В. Проектування систем космічного моніторіпга / В.В. Лебедєв, І.М. Гансвінд; Наук. Геоінформ. центр РАН // М .: Наука, 2010. - 388 с.

    2. Севастьянов Н. Н. Аналіз сучасних можливостей створення малих космічних апаратів для дистанційного зондування Землі / Н. Н. Севастьянов, В. Н.Бранец, В. А Панченко та ін. // Праці МФТІ. - 2009. -Т.1. - №3 - С. 15 - 23.

    3. Каширін А. В. Аналіз сучасного стану ринку наноспутників як проривний інновації та можливості його розвитку в Росії / А. В. Каширін, І. І. Глебанова // Молодий вчений. - 2016. - Т.1 - №7. - С. 15 -23.

    4. Зведена таблиця космічних запусків, здійснених в 2016 році // Новини космонавтики. - 2017. - т.27 -№3 - С. 49-51.

    5. Зведена таблиця космічних запусків, здійснених в 2017 році // Новини космонавтики. - 2018. - Т. 28 -№3 - С. 22-25.

    6. Афанасьєв І. Інфрачервоний "Канопус" і 72 попутника / І.Афанасьев // Новини космонавтики. - 2017. -Т.27. - № 9 - С.40 - 47.

    7. Афанасьєв І. Один великий і три маленьких. Індія виконала рекордний за кількістю корисних навантажень запуск. / І. Афанасьєв, А. Кучейко // Новини космонавтики. - 2017. - Т. 27 - № 4 - С. 30 - 36

    8. Хромов А. Супутники ДЗЗ Sky Sat / А. Хромов // [електронний ресурс] / http: // www.Dauria.ru blog / Sky Sat

    9. Кучейко А. Індійський пуск в інтересах ДЗЗ і не тільки / А. Кучейко // Новини космонавтики. - 2016. - т.26 -№ 11 = С.57,58.

    10. Афанасьєв І. "Лелека - 2Д": рік на орбіті / І. Афанасьєв // Новини космонавтики. - 2017. - Т. 27 - № 6 - С.49

    11. Красильников О. ВКД - 43: випробування нового скафандра і запуск п'яти нових супутників / А. Красильников // Новини космонавтики. - 2017. - № 10. - С. 19 - 23.

    Список літератури англійською мовою / References in English

    1. Lebedev V. V. Proektirovanie system kosmicheskogo monitoringa [Remote sensing systems design] / V. V. Lebedev, I.N. Gansvind, Nauch. geolnform. tsentr RAN // M. - Nauka, 2010. - 388 p, -P. 151. [in Russian]

    2. Sevastianov NN Analiz sovremennikh vozmozhnostey sozdania malikh kosmicheskikh apparatov dlya distantsinnogo zondirovaniya Zemli [Analisis of the modern possibilities of creation of small satellites for remote sensing of the Earth] / NN Sevastianov, VN Branets, VA Panchenko // Works of MIPT.- 2009 . - V. 1. - № 3. - P. 15-23. [In Russian]

    3. Kachirin AV Analiz sovremennogo sostoyanya rynka nanosputnikov kak proryvnoy innovatsyi I vozmozhnosti yego razvitia v Rossii [Analisis of the current state of the nanosatellite market as a breakthrough innovation and opportunities for its development in Russia] / AV Kachirin, II Glebanova // Molodoiy utsenyu . -2016 - V.1. № 7. - P. 15 - 23. [in Russian]

    4. Svodnaya tablitsa kosmicheskikh zapuskov osushchestvlennykh v 2016 godu [Summary table of space launches carried out in 2016] // Novosti kosmonavtiki. - 2017. - V. 27. - № 3 - P. 49 - 51. [in Russian]

    5. Svodnaya tablitsa kosmicheskikh zapuskov osushchestvlennykh v 2017 godu [Summary table of space launches carried out in 2017] // Novosti kosmonavtiki. - 2018. - V.28. - № 3 - P. 22-25. [In Russian]

    6. Afanasiev I. Infrakrasniy "Kanopus" i 72 poputchika [Infrared "Kanopus" and 72 passandgers] / I.Afanasiev // Novosti kosmonavtiki. -2017. - V. 27. - № 9 - P. 40 - 47. [in Russian]

    7. Afanasiev I. Odin bolshoy i tri malenkikh. India vipolnila rekordniy po chislu poleznykh nagruzok zapusk [One large and three small. India has completed a record number of payloads] / I. Afanasiev, A. Kuzheyko // Novosti kosmonavtiki. -

    2017. - V. 27. -№ 4 - P. 30 - 36. [in Russian

    8. Khromov A. Sputniki DZZ Sky Sat [Earth remote sensing satellites Sky Sat] / A. Khromov // http: // www. Dauria.ru blog / Sky Sat. [In Russian]

    9. Kucheyko A. Indiyskiy pusk v interesakh DZZ i ne tolyko [Indian launch in the interests of remote sensing and not only] / A. Kucheyko // Novosti kosmonavtiki. - 2016. - V.26. - № 11 - P. 57, 58. [in Russian]

    10. Afanasiev I. "Лелека - 2Д": god na orbite [ "Лелека - 2Д" year in orbit] / I. Afanasiev // Novosti komonavtiki. - 2017. -V.27. - № 6 - P.49. [In Russian]

    11. Krasilnikov A. VKD - 43: ispytanie novogo skafandra i zapusk piaiy novikh sputnikov [Extravehicular activity - 43: test a new spacesuit and launch five satellites] / A. Krasilnikov // Novosti kosmonavtiki. - 2017. - V.27. - № 10 - P. 19 -23. [In Russian]


    Ключові слова: МАЛІ КОСМИЧЕСКИЕ АПАРАТИ / ОРБІТАЛЬНІ УГРУПОВАННЯ / ДИСТАНЦІЙНЕ ЗОНДУВАННЯ ЗЕМЛІ / Космічні ДОСЛІДЖЕННЯ / УНІВЕРСИТЕТСЬКІ РОЗРОБКИ / СУПУТНИКОВІ ПЛАТФОРМИ І ЦІЛЬОВА АПАРАТУРА / SMALL SPACECRAFT / ORBITAL CONSTELLATIONS / REMOTE SENSING OF THE EARTH / SPACE RESEARCH / UNIVERSITY DEVELOPMENTS / SATELLITE PLATFORMS AND TARGET EQUIPMENT

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити