Спутник Самарского университета им. Королёва нацелен на томографию верхнего слоя атмосферы Земли

Созданный в Самарском университете им. Королёва научный наноспутник SamSat-ION ("СамСат-ИОН") успешно выведен на заданную орбиту в рамках пуска ракеты-носителя "Союз-2.1б" с разгонным блоком "Фрегат" с космодрома Восточный 27 июня 2023 года. Самарский спутник отправился на орбиту в составе внушительной флотилии из более чем 40 малых космических аппаратов (МКА), запущенных вместе с большим гидрометеорологическим спутником "Метеор-М" № 2-3. Запуск SamSat-ION осуществлен благодаря участию Самарского университета в программе Роскосмоса "УниверСат" в составе кластера МКА "УниверСат-2023".

Работать наноспутнику предстоит на круговой солнечно-синхронной орбите с высотой 558,4 км. В ходе летных испытаний МКА научная аппаратура SamSat-ION будет собирать данные, необходимые ученым для исследования ионосферы - верхнего слоя земной атмосферы, который в зависимости от активности Солнца влияет на распространение радиоволн и работоспособность техники, особенно это актуально для полярных и приполярных районов Арктики и Антарктики. Согласно ряду исследований, с помощью мониторинга текущего состояния ионосферы можно даже предсказывать землетрясения в сейсмонеустойчивых регионах планеты. Также в ходе миссии МКА пройдут испытания новой отечественной спутниковой платформы, обладающей пассивно-активной системой ориентации и стабилизации.

"Наноспутник SamSat-ION разработан и изготовлен в Самарском университете силами молодых учёных и аспирантов межвузовской кафедры космических исследований и научно-исследовательской лаборатории "Перспективные фундаментальные и прикладные космические исследования на базе наноспутников". Активное участие в работе над аппаратом принимали студенты магистратуры и старших курсов бакалавриата. Спутник предназначен для изучения ионосферы и магнитосферы Земли. Все его бортовые системы и научная аппаратура - отечественной разработки, и можно отметить, что это первый российский наноспутник, оснащенный отечественной аппаратурой для проведения подобных исследований. Научные данные с этого спутника в перспективе могут быть полезны при решении задач по дальнейшему освоению Арктики и Антарктики, где возмущения ионосферы от солнечной активности, как правило, наиболее значительны и сильно влияют на спутниковую навигацию и связь", - рассказал заведующий межвузовской кафедрой космических исследований Самарского университета им. Королёва профессор Игорь Белоконов.

Научная аппаратура

Аппаратура, установленная на на борту SamSat-ION, получила положительные экспертные заключения Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова и Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). В составе аппаратуры - три научных прибора, в том числе оригинальный датчик параметров плазмы.
В создании датчика принимали участие ученые Института прикладной физики РАН. Прибор позволяет измерять характеристики плазмы по орбите движения спутника.

Также на борту космического аппарата размещён выносной магнитометр на откидывающейся штанге оригинальной конструкции, он будет измерять состояние магнитного поля Земли. Штанга необходима, чтобы подальше отвести прибор от корпуса спутника и снизить уровень электромагнитных наводок и помех. Для надежного раскрытия конструкции штанги самарские ученые применили оригинальное техническое решение замкового устройства, которое впоследствии было ими запатентовано.

Третий прибор – разработанный в университете навигационный приемник научного назначения, он работает на двух частотах L1 и L2 российской системы ГЛОНАСС. Как известно, отечественная спутниковая группировка ГЛОНАСС обеспечивает значительно лучшее покрытие полярных и приполярных областей в отличие от зарубежной системы GPS.

"Работая на этих частотах, мы сможем специальным образом обрабатывать информацию, поступающую от навигационных спутников, и выделять так называемые задержки в распространении радиосигнала. Эти задержки указывают на то или иное состояние ионосферы на пути прохождения сигнала от навигационного спутника к нашему приемнику. То есть, мы сможем мониторить состояние ионосферы не только по орбите полета спутника – с помощью датчика параметров плазмы, но и будем следить за состоянием верхней ионосферы, как бы «просвечивая» ее с помощью радиосигналов, или, говоря терминологически, мы будем проводить томографию верхней ионосферы. Это очень важно с научной и прикладной точек зрения, это даст нам в случае успеха гораздо больше сведений о состоянии ионосферы", - отметил Игорь Белоконов.

Данные томографии предполагается обрабатывать с помощью алгоритмов, разработанных в рамках завершенного в 2022 году проекта по совместному гранту РФФИ и Белорусского фонда фундаментальных исследований "Теоретические основы исследования волновых процессов и явлений в ионосфере с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем" – совместного научного проекта России и Беларуси, инициированного Самарским университетом им. Королёва.

Комплексные исследования характеристик плазмы и задержек в распространении радиосигналов помогут понять механизмы процессов, происходящих в ионосфере. Решение этой задачи важно для прогнозирования возможных перебоев в работе систем радиосвязи, а также корректировки ошибок и повышения точности систем позиционирования на Земле. Кроме того, понимание природы физических процессов, происходящих в ионосфере, откроет возможности для новых перспективных технологий передачи информации.

Спутниковая платформа

Разработка, изготовление, сборка и испытания самарского наноспутника заняли около двух лет. Такая продолжительность была обусловлена тем, что коллективом создавалась собственная наноспутниковая платформа, тем самым достигалась полная технологическая независимость.
Все бортовые системы разрабатывались практически "с нуля", то есть, создавались свои собственные решения, а не брались уже готовые решения.

Наземные испытания включали в себя имитацию условий пребывания на орбите в термовакуумной камере и имитацию на вибродинамическом стенде условий активного участка выведения на орбиту ракетой-носителем. Систему энергопитания проверяли с помощью имитатора Солнца, а систему управления движением испытывали на стенде с использованием опоры на воздушном подвесе, в результате чего спутник оказывался в условиях, близких к невесомости. Кроме того, в результате испытаний на уникальном стенде собственной разработки впервые был определён тензор и положение центра масс наноспутника экспериментальным путём, что позволит с большей эффективностью осуществлять управление его угловым движением.

Для особо жестких испытаний был создан "дублер-каскадер" космического аппарата - чтобы вначале именно на "дублере" проверять, выдержит ли, например, его конструкция ту или иную нагрузку, а уже потом, в случае положительного исхода, на сложные испытания вслед за "каскадером" отправлялся аппарат, запущенный 27 июня в космос.

"Наряду со значимостью данного спутника для науки, для научных экспериментов, его полет крайне важен также с точки зрения проведения летных испытаний новой отечественной спутниковой платформы, разработанной нами в рамках этого проекта. При создании наноспутника мы применили новый подход проектирования и выбирали такие проектные параметры космического аппарата (моменты инерции, положение центра масс), чтобы обеспечить в полете нужную ориентацию положения спутника в пространстве, совпадающую с положением равновесия, которое отвечает задачам миссии. - чтобы он не "кувыркался" по орбите, вращаясь вокруг своей оси после выхода из транспортно-пускового контейнера, а сохранял нужную ориентацию", - подчеркнул Игорь Белоконов.

По его словам, задача обеспечения требуемой ориентации и стабилизации в пространстве оказалась весьма непростой. Ученые придумали техническое решение, в рамках которого центр масс был смещён относительно продольной оси спутника так, чтобы аэродинамическое сопротивление (а оно есть на низких орбитах) воздействовало на спутник нужным образом, ориентируя чувствительный элемент датчика параметров плазмы по вектору скорости движения. Этого удалось достичь, благодаря использованию упомянутого ранее стенда, позволяющего определить положение центра масс спутника с погрешностью до 0,5 мм.

Как ожидается, срок активного существования наноспутника SamSat-ION на орбите должен составить не менее одного года.

Справочно:

* Самарский университет им. Королёва - вуз-участник национального проекта "Наука и университеты".

** Ионосфера - это насыщенный заряженными частицами верхний слой земной атмосферы, концентрация которых зависит от активности Солнца и влияет на распространение радиоволн, оказывая заметное влияние на работоспособность различных технических систем. Огромную роль знание состояния ионосферы играет в спутниковой навигации и связи.

*** "УниверСат" - российская программа запуска малых космических аппаратов, разрабатываемых в вузах России в интересах федеральных министерств и ведомств. Программа реализуется госкорпорацией "Роскосмос". Запуск малых научных космических аппаратов с использованием российских средств выведения реализуется в рамках Федеральной космической программы России на 2016-2025 годы. "УниверСат" является основной российской программой по запуску МКА российских университетов формата CubeSat , решающих задачи в интересах государственных заказчиков Госкорпорации "Роскосмос".

Текст: Алексей Соколов
Фото: Степан Шафран