Малые космические
Истории запуска студенческих спутников в МАИ уже больше 40 лет. Их, а также другие малые космические аппараты учат делать и конструируют на кафедре 601 «Космические системы и ракетостроение» Аэрокосмического института.
Среди новых проектов студенческого космического конструкторского бюро «Искра» — университетские кубсаты, спутники для Северного морского пути и «созвездия» спутников.
Королёв и Мишин
Кафедра по ракетно-космической технике – первая в СССР – была создана в МАИ в 1959 году. Это был третий год космической эры человечества: в космос уже полетели первые советские спутники, к Луне отправились одна за другой автоматические межпланетные станции, шла подготовка к запуску человека. В Московском авиационном институте подготовка кадров для новой отрасли стартовала при непосредственном участии генерального конструктора ракетно-космических систем Сергея Павловича Королева. Заведующим кафедрой стал его ближайший соратник Василий Павлович Мишин, первый заместитель и впоследствии преемник Королева в ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия» имени С.П. Королева).
Несмотря на колоссальную загруженность, по настоянию Королева на кафедре работали его заместители и основные специалисты. Среди профессоров кафедры был и М.К. Тихонравов, возглавлявший у Королева подразделение пилотируемой космонавтики, они начинали вместе еще во времена ГИРДа. В 1967 году по инициативе Тихонравова в МАИ появилось студенческое космическое конструкторское бюро «Искра». «Знания нам давали прямо «с колес», учили на примерах самых свежих разработок. Я сам оканчивал кафедру в это время»,– вспоминает Олег Михайлович Алифанов, нынешний заведующий кафедрой 601 «Космические системы и ракетостроение», ученик В.П. Мишина. В 1978 году на орбиту отправился созданный в МАИ первый в мире студенческий спутник «Радио-2», предназначенный для связи радиолюбителей всего мира.
В институте оборудовали пункт приема и управления: студенты на лабораторных работах могли получать телеметрию и проверять работу систем аппарата. Кстати, впервые в отечественной космической практике конструкция спутника была негерметичной. Такую идею подал Тихонравов, и со временем она превратилась в основной тренд в космонавтике. В списке мировых рекордов еще два маевских спутника: «Искра-2» и «Искра-3». В 1982 году они были запущены с борта орбитальной станции – это был первый запуск одного искусственного тела с другого искусственного тела на орбите Земли. Причем осуществил запуск выпускник МАИ космонавт Валентин Лебедев.
Седьмой спутник
Шесть студенческих спутников МАИ полетели в космос с 1978 по 1992 год. А затем на долгие годы наступил перерыв: студенческое КБ переезжало в филиал МАИ в Химках, на НПО им. С.А. Лавочкина, трансформировалось во «взрослое» КБ, занималось разработкой прикладных научных малых космических аппаратов, малогабаритных спутников дистанционного зондирования Земли, макетных спутников и программ обучения для зарубежных партнеров по контрактам с Росвооружением.
«В начале нулевых был совсем провал,– рассказывает Сергей Олегович Фирсюк, руководитель СККБ «Искра» Аэрокосмического института МАИ.– Но основной костяк людей, работавших в КБ, не менялся со сменой адресов и названий. У нас есть сотрудники, которые еще молодыми специалистами запускали первый маевский спутник». Седьмой маевский спутник «Искра-МАИ-85» запустили в 2017 году, в год 50-летия студенческого космического конструкторского бюро. Это был первый кубсат МАИ – спутник, выполненный в современном формате университетских спутников: один модуль кубсата представляет собой кубик габаритами 10 х 10 х 10 см и массой несколько килограммов. Маевский спутник состоял из трех таких модулей. Запуск государство произвело бесплатно, по программе для университетских спутников, которая начала действовать с 2016 года.
Этому предшествовало получение МАИ статуса национального исследовательского университета: появилось финансирование, с 2009 по 2013 год удалось обновить производственную и испытательную базу, после чего КБ вернулось к проектам студенческих спутников, и не одного. Причем собственная инфраструктура для разработки и запуска целой серии различных космических аппаратов позволяет сделать процесс достаточно экономичным. По словам Сергея Фирсюка, спутник был очень бюджетным, вся его электроника делалась в МАИ, покупными были только материалы и чипы: «Паяли, собирали солнечные батареи – все сами. В основном работали студенты и молодые выпускники. Мы отрабатывали системы и всю конструкцию под будущие кубсаты. И, что не менее важно, для нас это был опыт взаимодействия с Роскосмосом по процедуре запуска».
«Искра-МАИ-85» провел на орбите около двух месяцев, передавая телеметрию своего состояния, а потом поймал вспышку на Солнце, мощность его солнечных батарей резко просела, и связь с ним нарушилась. Но основная задача была выполнена – опыт получен, ошибки учтены. «Наш спутник был первым российским кубсатом в космосе, который вообще заработал»,– подытоживает Сергей Фирсюк.
Новые технологии
В 2008–2009 годах мы поставили себе задачу делать предельно дешевые малые космические аппараты с приемлемыми характеристиками. И успешно ее решили – свой жизненный цикл эти разработки за десять лет прошли. Сейчас тренд меняется: кубсаты становятся функциональными, на них ставят приличную полезную нагрузку, они выполняют рабочие задачи: прикладные, военные, научные. Надо двигаться в сторону функциональности.
Мы уже работаем над кубсатом с достаточным электропитанием для обеспечения связи, работы камеры и других функций. Надеемся выйти на мощность 40–60 Вт, это довольно много, сейчас средняя электрическая мощность на кубсатах – 10 Вт. Мощность дадут большие солнечные батареи, разработка конструкции которых уже идет: нужно решать вопросы с динамикой, с тепловыми режимами. Будем экспериментировать.
Есть и другая тенденция – увеличение кубсатов до аппаратов в несколько «юнитов»: 70% запускаемых в мире кубсатов сейчас трехюнитовые, 20% состоят из шести юнитов. Рост массы космических аппаратов наблюдается во всех классах, в том числе в классе малых аппаратов. Да, электроника становится миниатюрнее и легче, но требования к функциям растут быстрее: разрешение и площадь съемки, спектральное разрешение, срок работы на орбите, который вырос до 15–20 лет. У нас есть запас возможностей стендов – они предназначены для аппаратов массой до 100 кг, а проектируем мы сейчас аппараты от 3 до 30 кг.
Подходим мы и к проектам «спутниковых созвездий» и многоспутниковых группировок – участвуем в проекте по роевому взаимодействию кубсатов, который инициировал ЦНИИмаш, с экспериментальным запуском в 2021 году. Первый пробный «рой» будет на четыре кубсата, второй – на шесть.
Есть и собственные эксперименты в этом направлении по образовательной линии. Сегодня самые маленькие спутники, которые используются для передачи данных в многоспутниковых группировках,– это пико- или фемто-спутники, фактически панелька солнечных батарей с чипом и антенной, микроэлектронные технологии. Такие спутники можно собирать в огромные группировки и решать разные гражданские задачи, например мгновенно получать срез данных по всей траектории движения. С точки зрения боевых задач этот «рой» трудно перехватить: затраты на перехват выше, чем сами аппараты. Предстоит еще решить проблему управления микроспутниками через межспутниковые каналы связи, и в России этим только начинают заниматься на больших аппаратах. Надо отрабатывать антенны, чипы, алгоритмы, математику. Нам, чтобы двигаться в этом направлении, нужно пройти еще несколько этапов.
Зачем нам кубсаты
Во всем мире ежегодно запускаются до 400 спутников-кубсатов, как минимум половина – в США. Много запускают университеты, еще больше – компании, аффилированные с оборонными ведомствами: это аппараты ДЗЗ двойного назначения с финансированием через DARPA, управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Группировка таких миниатюрных спутников компании Planet Labs, к примеру, дает ежедневный глобальный охват Земли с разрешение порядка 5 м. Другая подобная система выполняет слежения за морскими судами.
В России, где запуск кубсатов пока остается чисто образовательной задачей, их запускают в лучшем случае один-два в год. И тут МАИ в выигрышном положении с его историческим опытом и собственной инфраструктурой, которая позволяет делать малые космические аппараты массой до 100 кг и проводить все ключевые испытания – вибропрочностные и тепловакуумные. Это уникальные для российского вуза возможности. Для их реализации в ближайшей перспективе СККБ «Искра» будет трансформирован в центр производства и проектирования малых космических аппаратов с целью разворачивания серийных работ.
«Вызов для МАИ сейчас – занять в России нишу создания малых космических аппаратов,– уверен Сергей Фирсюк.– Пока она пустует, многие пробовали этим заниматься, но по разным причинам не получилось. Ведь маленький спутник не проще больших, даже сложнее, тут есть своя специфика. Сейчас наша страна существенно отстает по научным спутникам, а кубсаты, даже достаточно сложные, при своей бюджетности могут решать определенные научные задачи. Чтобы серьезно об этом говорить, надо, конечно, иметь облетанные платформы с подтвержденными характеристиками, которые можно будет предлагать и в России, и по зарубежным контрактам. Для кубсатов в мире есть классический конкурентный рынок, на который мы тоже можем выйти».
Спутники для Арктики
Большие планы в МАИ связаны с поддержкой российских государственных интересов в Арктике – комплексная система из различных летательных аппаратов, их наземного управления и обработки информации должна обеспечить проход судов по Северному морскому пути. Проект курирует ректор МАИ Михаил Погосян, руководитель Совета по приоритету научно-технологического развития России «Связанность территории».
«Это что-то вроде «Яндекс. Навигатора» для ледокольного флота. Система должна наблюдать за состоянием льда в текущий момент и выстраивать оптимальные маршруты следования для судов – это экономит топливо и время. Пока у нас в Арктике единичные проходки ледоколов на 10 млн т в год, это, может быть, не так актуально. Но Президент уже поставил задачу выйти на 80–100 млн т в год, и пора задумываться о ее решении»,– рассказывает Сергей Фирсюк.
Проработкой комплексного научно-технического проекта, в котором МАИ может выступить системным интегратором, занимаются в институте №4 «Радиоэлектроника, инфокоммуникации и информационная безопасность». Задумана широкая кооперация разработчиков средств наблюдения, в числе которых – Росгидромет, Институт космических исследований РАН, сам МАИ и разработчики космических аппаратов, с которыми ведутся переговоры.
«Необходимо создать российскую спутниковую группировку для дистанционного зондирования Земли, включая оптическое зондирование, ИК, радиолокацию, пассивные СВЧ-устройства и лазерные лидары,– поясняет доцент кафедры 410 «Радиолокация, радионавигация и бортовое радиоэлектронное оборудование» Дмитрий Ясенцев.– В нашем институте есть опыт разработки радиолокационных датчиков. Объединив усилия с Аэрокосмическим институтом №6, мы можем создавать и спутники, и их целевую нагрузку».
В масштабном системном проекте космические аппараты – это только малая часть. Некоторые из них уже сейчас можно делать в МАИ, например спутники весом до 100 кг для зондирования в оптическом (ближнем ИК-) диапазоне. Имея такие снимки льда, повторяющиеся с высокой регулярностью, можно обработать весь массив данных, сопоставив с замерами толщины льда, и на основе имеющихся математических моделей ее прогнозировать. Еще одна задача для спутников размером от кубсата – связь, которую могут обеспечить на приполярных орбитах несколько малых космических аппаратов.
Помимо спутников в состав системы могут войти также дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА). «Думаю, мы будем рассматривать все варианты,– размышляет Дмитрий Ясенцев,– и спутники, и тяжелые ДПЛА, которые могут совершать долговременные вылеты по маршруту и производить наблюдения. Задел по отечественным ДПЛА уже есть у наших партнеров, а мы в МАИ делали радары для отечественных беспилотников».
Маёвский конструктор и планы на МКС
Параллельно с подготовкой к запуску спутника в 2017 году в СКБ «Искра» шла большая работа с Международной космической станцией. «В МАИ был создан центр управления,– делится Олег Михайлович Алифанов.– Мы отрабатывали новую систему передачи изображений с помощью радиолюбительской связи в УКВ-диапазоне». Теперь в планах до 2024 года – космический эксперимент на МКС: сборка и запуск аэроупругого (надувного) спускаемого аппарата, прототип которого сделали в МАИ совместно с НПО им. С.А. Лавочкина. Идее уже больше 30 лет, ее развивали еще в 80-х для пилотируемой посадки на Марс 40-тонного спускаемого аппарата с диаметром экрана 23–25 м, который требовалось собрать на орбите: такую конструкцию с Земли не запустишь. Одним из решений стали надувные аппараты. Ими занимались и в России, и в США, пытаясь решить самые разные технические и научные проблемы. Теперь отрабатывать технологию будут на малом аппарате-прототипе, созданном маевцами.
«Планируем через программу запусков с МКС и по другим программам запустить порядка десятка аппаратов в течение пяти лет, по два-три в год с 2020 года. Они будут выполнять научные и прикладные задачи с финансированием по линии Роскосмоса. Во всех этих проектах обязательно будут задействованы студенты»,– заявляет Сергей Фирсюк.
Как же увлечь космонавтикой еще в школе и в институте, показать, как работают спутники, и дать поработать с ними своими руками? Идея родилась в научно-исследовательском отделении (НИО) Аэрокосмического института: там придумали конструктор микроспутников и уже отработали на нем пилотную программу лабораторных работ для студентов.
Подтолкнуло техническую мысль участие в чемпионате WorldSkills Russia, где два года назад появилась компетенция «Инженерия космических систем». Маевцы сами участвовали в соревнованиях и обнаружили, что у предложенного участникам конструктора есть ряд недостатков. «Мы решили разработать собственный комплект, лучше и экономичнее, который мы сможем масштабировать и усложнять под собственные задачи»,– говорит Владимир Заговорчев, начальник НИО Аэрокосмического института.
Конструктор стал удачным техническим пособием. Таких сегодня, по словам Владимира Заговорчева, очень не хватает. Его используют для практических занятий по разработке, проектированию и сборке модели космического аппарата, программированию его системы управления и экспериментальной отработке. К тому же в процессе обучения можно подготовить и отобрать талантливых ребят, которые продолжат развиваться в этом направлении и в перспективе будут работать над созданием настоящих малых космических аппаратов. Ведь главная цель не изготовление спутников, а «изготовление» в МАИ людей, которые умеют делать спутники.
Елена Панасенко
