Космическая миссия

В ноябре с космодрома Восточный на несколько сотен километров от Земли был запущен разработанный, изготовленный и испытанный в Самарском национальном исследовательском университете им. Королёва наноспутник "СамСат-Ионосфера". Космический аппарат предназначен для исследования плазменной и магнитной оболочек Земли. Что и кто стоит за успешным пуском и работой наноспутника, рассказал руководитель проекта и идейный вдохновитель этого сложнейшего процесса – заведующий межвузовской кафедрой космических исследований, профессор Игорь Белоконов.

— Почему настоящее и будущее в космосе именно за наноспутниковыми технологиями?

— Это не совсем точная формулировка – дело не в приставке "нано". Настоящее и будущее – за передовыми технологиями. Наноспутниковые технологии применительно к космосу – это определение класса технологий, ориентированных на создание элементов космической техники меньшей массы, меньших размеров, меньшей стоимости в короткие промежутки времени и в большом количестве. Но при этом решаемые задачи в определенном сегменте космических миссий будут сопоставимы с большими космическими аппаратами.

Именно на наноспутниках можно проверить реализуемость и оправданность новых технических решений и идей, что позволит в дальнейшем избежать негативного результата при их переносе уже на большие аппараты. При этом развитие космических технологий должно сопровождаться большим количеством экспериментов на орбите. Ценность редких экспериментов невысока. Как вы знаете, основоположники практической космонавтики с большой частотой создавали и запускали ракеты, спутники. Сергей Павлович Королев запускал одну ракету за другой, один аппарат для освоения Луны за другим. Это естественный процесс.

— Хотя первые космические аппараты были огромными по сравнению с современными…

— Тогда не существовало миниатюрных устройств, цифровой техники – только аналоговая техника, потреблявшая большое количество энергии. Тем не менее уже тогда люди понимали, что только через эксперименты в космосе можно понять и обосновать, в какую сторону необходимо развиваться. Только эксперименты в космосе дают окончательный вердикт предлагаемым решениям. Тот же Илон Маск запускает аппараты с достаточно большой частотой. Только в 2024 году у него было четыре пуска сверхтяжелой ракеты Starship, о малых аппаратах типа Starlink я вообще не говорю: для него это "расходный материал". Соответственно, у Маска накапливается опыт, и он дорабатывает технику.

— А когда и как появились первые наноспутники?

— Первые наноспутники были выведены в космос в 2003 году. А вообще, такой формат спутников, каким мы его видим сейчас, первыми предложили два профессора из Стэнфордского университета и Калифорнийского технологического института в 1999 году. По их мнению, для развития образования в области космических технологий студенты должны иметь возможность создавать спутники в стенах университета. Так как большие спутники и их запуск на орбиту вокруг Земли – удовольствие крайне дорогое, был предложен прагматичный подход – создать новый стандарт спутника в виде кубика с размером грани 10 см, их назвали кубсатами. В рамках этого стандарта в начале 2000-х были сделаны первые кубсаты, и постепенно университеты поняли важность миниатюрных космических аппаратов для собственного развития, для воспитания квалифицированных кадров, приобретения новых компетенций и развития свежих идей. Соединяя несколько кубсатов, можно создавать спутники большего размера, например, кубсат 12U имеет размеры 20×20×30 см и массой уже до 20 кг.

Так как формат кубсата чрезвычайно быстро набрал популярность, то на него мгновенно откликнулся малый бизнес, и возник рынок стандартных бортовых систем, узлов, элементов. Рынок, как вы знаете, предполагает массовость и постепенное удешевление продукта. Все больше университетов стали пробовать свои силы в космических технологиях, поняли, что иметь в активе свой спутник – это престижно, да и большие компании стали активно приглашать на работу выпускников университетов, прошедших такую школу.

— Что было дальше?

— Дальше университеты задались вопросом: могут ли наноспутники решать полезные задачи в космосе? И оказалось, что да, могут, но для этого нужны новые подходы к созданию научной аппаратуры. Затем случился бум развития малоразмерной научной аппаратуры для наноспутников, который, конечно, подстегивал создание и использование наноспутников уже не только для образовательных целей, но и для получения новой информации, в том числе и в коммерческих целях. Ведь если у вас десять наноспутников, а не один, и на каждом стоит научная аппаратура, то в определенных случаях эта группировка может быть сопоставима с функционалом большого аппарата. В качестве примера можно привести частную компанию Planet Labs, которая развернула группировку наноспутников, позволяющую раз в сутки получать изображение всей поверхности Земли с разрешением 3,5 метра. Так пришла эра многоспутниковых группировок.

— Для каких научных задач нужна группировка спутников и какую роль здесь могут играть университеты?

— Поясню на примере. С помощью одного наноспутника вы можете изучать околоземное космическое пространство только на одной орбите. Если у вас запущено много спутников и они двигаются по разным орбитам, то можно получить "объемную" картину геофизических полей. Иными словами, от измерений в одной точке в один момент времени происходит переход, например, к одномоментным измерениям во множестве точек, что позволит построить пространственную модель изучаемых параметров для лучшего понимания процессов, происходящих в окрестностях нашей планеты. Наноспутники на современном этапе развития могут занять четкую нишу – делать то, для чего большие аппараты нецелесообразно применять в силу больших сопутствующих финансовых и временных затрат.

— В чем вы видите будущее наноспутников?

— По мере совершенствования элементной базы наноспутники могут быть востребованы для межпланетных миссий. Американцы, например, использовали наноспутники как вспомогательный инструмент для миссии MARCO на Марс. На эту планету сел посадочный модуль, и для того, чтобы поддерживать с ним связь во время спуска, были использованы два наноспутника для ретрансляции сигналов на Землю. Наноспутники совершили перелет к Марсу вместе с основным космическим аппаратом, и это был блестящий результат, который доказал целесообразность их использования в качестве вспомогательных средств для обеспечения сложных космических миссий.

— В каких еще "иноземных" миссиях можно использовать наноспутники?

— Если мы, например, говорим о шаге на Луну, то для начала нужно исследовать долунное космическое пространство, так как оно слабо изучено. Что представляет собой пространство от Земли до Луны? Какие там действуют факторы космического пространства: радиация, космические лучи, солнечный ветер? Как они повлияют на работоспособность научной аппаратуры и на биологические объекты на продолжительных интервалах времени? Нужен систематический мониторинг и глубокое исследование этой области космического пространства

— То есть наноспутники нужны для выяснения радиационной обстановки около Луны?

— В том числе. Нужна объективная информация о радиационной обстановке в долунном космическом пространстве. Одним из вариантов решения проблемы служит использование многоспутниковых группировок, которые работают на сильно вытянутых орбитах, почти достигающих Луны. Для решения таких задач более эффективно использовать микроспутники, также построенные на стандарте кубсат, но имеющие больший размер. Их данные позволят повысить безопасность и надежность будущих пилотируемых полетов к Луне.

— Какие страны сильны своими наноспутниковыми технологиями?

— Сейчас трудно найти страну, которая не имела бы своего наноспутника. Страны Юго-Восточной Азии, Латинской Америки, Индия, Китай, Пакистан, Израиль, США, страны Европы – конкуренция на мировом уровне наноспутников колоссальна.

— Если конкуренция большая, то почему иностранцы приезжают учиться наноспутниковым технологиям в Россию, в Самарский университет им. Королёва? Ваша международная летняя космическая школа "Перспективные космические технологии и эксперименты в космосе" проводится с 2003 года, и за это время ее прошли более 500 молодых людей из 45 стран.

– Известно, что нет более эффективного вложения денег, чем вклад в образование. По-моему мнению, наше конкурентное преимущество – активная поддержка со стороны государства в привлечении иностранцев через организацию "Россотрудничество" для получения образовательных услуг. Это формирование так называемой "мягкой силы", когда иностранцы по окончании обучения уезжают с добрыми чувствами к нашей стране – это дорогого стоит, потому что, как показывает практика, эти выпускники становятся не последними людьми у себя на родине.

Что касается образования, то наша страна имеет огромный опыт в области обучения молодых людей космическим технологиям. Высокий уровень образования в России подтвержден тем, что первые шаги в освоении космоса были сделаны нашими гражданами. Конечно, например, страны БРИКС не имеют продолжительного опыта подготовки кадров для космической отрасли, какой есть у России. Да и системы обучения у нас и за границей сильно различаются. Если мы много внимания уделяем внеаудиторной индивидуальной работе со студентами, привлекаем их к участию в реальных проектах, то за границей иной подход – там студенту уделяется строго определенное время и только во время занятия. В качестве примера активного участия иностранных студентов в научной работе хочу привести такой факт: в октябре 2024 года пять иностранных студентов межвузовской кафедры космических исследований участвовали в работе Международного астронавтического конгресса в Милане (высший научно-технический форум в области космонавтики в мире).

— То есть это некий российский стиль обучения?

— Да, это стиль исходной доброжелательности, который у нас в университете сформировался по отношению к своим студентам, он же распространяется и на иностранцев. Молодые люди чувствуют доброе отношение и отвечают сторицей. Плюс это обучение не только теории, но и практике – 5 ноября с космодрома Восточный был запущен разработанный и изготовленный сотрудниками кафедры при участии студентов наноспутник "СамСат-Ионосфера". Он предназначен для исследования плазменной и магнитной оболочек Земли – ионосферы и магнитосферы. Знания о состоянии ионосферы помогают прогнозировать и преодолевать перебои в работе систем радиосвязи, навигации, предсказывать землетрясения. Кроме того, данные о состоянии ионосферы важны при решении задач по освоению Арктики и Антарктики. Большое число выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров связано с кафедральными проектами наноспутников.

— Студенты имеют возможность следить за работой наноспутника "СамСат-Ионосфера"?

— Обязательно! И каждую свою лекцию я начинаю с обзора событий на орбите: сегодня наноспутник передал такой-то пакет информации, его положение такое-то, планируем включение и проводим такие-то исследования с научной аппаратурой… И т.п. Более того, наши студенты привлечены к проведению сеансов связи с наноспутником "СамСат-Ионосфера" – это магистры и четвертый курс бакалавриата. Они рассчитывают, когда спутник войдет в зону связи, с какого направления, для того чтобы правильно повернуть антенну нашего центра управления полетом. Каждые сутки мы получаем до 100 пакетов телеметрических данных – это очень много. Такая реальная работа и причастность к интересному делу положительно влияет на молодых людей и формирует желание остаться в космической отрасли.

Мир очень быстро развивается, и наноспутники – это та площадка, на которой сейчас формируется основа большой космонавтики планеты. Потому что именно здесь молодые люди приобретают необходимый навык, обкатывают оригинальные идеи, тестируют новые технологии.

В апреле 2025 года планируется запуск еще одного нашего наноспутника, которому предстоит решать идентичные с уже действующим космическим аппаратом задачи по изучению ионосферы. После этого у нас будет существовать на орбите группировка наноспутников. Принимая во внимание, что в 2025 году будет находиться группировка "больших" аппаратов проекта "Ионозонд", ориентированных также на изучение ионосферы, хочется надеяться, что мы сможем внести посильный вклад в общее дело.

— Какие направления совершенствования ваших спутников вы видите?

— Существующие наши аппараты имеют формат кубсат 3U. Это значит, что объединены три кубика с гранями 10 см, и финальный размер – 10×10×30 см. Мы практически вышли на предел возможностей, предоставляемых таким форматом на основе доступной элементной базы. Однако у наших спутников низка скорость передачи данных на Землю, так как используется радиолюбительский диапазон радиоволн. И сейчас мы создаем передатчик для передачи данных в Х-диапазоне с большой скоростью. Как только создадим высокоскоростную радиолинию, так сразу сможем передавать большой объем информации с орбиты. Кроме того, в наших планах стоит создание маховичной системы ориентации и стабилизации движения. Сейчас мы используем магнитные системы ориентации, с помощью которых невозможно с высокой точностью сориентировать спутник в пространстве.

— Сколько наноспутников вы можете производить на базе университета?

— Во время недавнего визита в университет главы Госкорпорации "Роскосмос" Юрия Ивановича Борисова мы доложили ему, что можем производить до десяти наноспутников типа "СамСат-Ионосфера" в год. Используя наши возможности, можно было бы создать уникальную университетскую группировку наноспутников мониторинга ионосферы Земли. Мы начали создавать наноспутники десять лет назад, в 2014 году, и за этот период прошли весь путь полного цикла создания миниатюрных космических аппаратов – от проектирования, конструирования, производства, испытания до подготовки к запуску в космос и управления ими на орбите. В планах – переход на больший формат спутников, создание микроспутников массой до 20 кг, которые смогут решать более сложные задачи на орбите.

Фото: Олеся Орина, Иван Тимошенко

Источник: firstsamara.ru