Технологии, Безопасность | Олег Брагинский
В XX веке, в эпоху космической гонки, учёные предсказывали расцвет эры малых спутников. Прогноз сбывается: компактные аппараты применяются для связи, мониторинга климата, сельского хозяйства, совершенствования городской и промышленной инфраструктуры.
Мировые державы взяли курс на создание собственных спутниковых группировок для защиты государственного суверенитета. После череды успешных проектов США многие обратили внимание на отрасль, ранее считая её сверхсложной либо недостаточно перспективной и важной.
Советский период заложил мощный фундамент, позволивший России сохранять лидерство в космосе вплоть до 2000-х годов за счёт госпрограмм. Позднее частные компании по всему миру радикально снизили порог входа в отрасль. На наших территориях наблюдается та же тенденция.
Спутникостроение сталкивается с новыми вызовами: создание и восполнение орбитальных группировок требует, чтобы аппараты были компактными, дешёвыми и производились массово. На смену большим и многофункциональным аппаратам пришли спутники малого и микро-классов.
Решением стало применение принципа модульности при конструировании космических летающих устройств. В 1999 году в США разработали формат CubeSat – модульный спутник размером 10×10×10 см (1U – Unit), который можно масштабировать (2U, 3U и т. д.) в зависимости от задач.
Стандартизация существенно упрощает задачу, но и здесь есть поле для конкуренции: чем меньше места занимает обслуживающая бортовая аппаратура, тем больше остаётся для самой важной части, «сердца» аппарата – полезной нагрузки. Это порождает следующий виток гонки технологий.
Возьмём CubeSat формата 3U (30×10×10 см). Если бортовая аппаратура занимает 1U (системы питания, управления, связи), для полезной нагрузки остаётся 2U. Но, если инженеры сократят бортовые системы до 0,5U, полезная нагрузка вырастет до 2,5U, а это более мощная камера или дополнительный датчик, что напрямую влияет на конкурентоспособность миссии.
Создание собственной универсальной платформы с более компактным расположением бортовой аппаратуры – задача сложная, но достижимая. Под космической платформой понимается сочетание систем, обеспечивающих жизнедеятельность космического аппарата.
Рассмотрим основные системы космической платформы:
- система электроснабжения (СЭС) со встроенным аккумулятором (АКБ) и контролем заряда
- бортовая вычислительная машина (БВМ) с интегрированным GPS/ГЛОНАСС приёмником
- блок системы ориентации и стабилизации (СОиС)
- блок двигателей маховиков (БДМ).
1. Бортовая вычислительная машина (БВМ)
БВМ – «мозг» космического аппарата. Основной особенностью конструкции и новаторским решением инженеров SR Space стала интеграция в БВМ глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Это позволило сэкономить место, которое занял бы навигационный блок.
БВМ представляет собой одноплатный компьютер в формате PC-104, в основе которого – ARM-микроконтроллер, обеспечивающий выполнение системного и прикладного программного обеспечения полётного задания, и трёхосный магнитометр для определения ориентации.
Результатом инженерных изысканий стало универсальное изделие с габаритами и потреблением как для сверхмалого космического аппарата, но позволяющее стать ядром спутников большего размера и даже ракет-носителей.
2. Система электроснабжения (СЭС)
СЭС обеспечивает электропитание других систем космического аппарата (КА) и является одной из ключевых. Во многом определяет геометрию, конструкцию, массу и срок существования спутника.
Основные подсистемы:
- зарядное устройство от солнечных батарей с отслеживанием точки максимальной мощности
- схема защиты АКБ от перезаряда и короткого замыкания
- схема управления зарядом аккумуляторной батареи.
Вспомогательные функции блока СЭС:
- подключение предохранительной чеки, исключающей несанкционированное включение КА
- контроль состояния контактов отделения КА от пускового контейнера/системы отделения
- терморегулирование для обеспечения заданного режима эксплуатации АКБ
- активация замков раскрывающихся элементов КА.
Блок управляется размещённым на плате ARM-контроллером. По интерфейсу CAN СЭС может передавать телеметрические данные в систему управления. Можно использовать несколько блоков СЭС в составе аппарата с кратным увеличением ёмкости и количества функциональных линий.
3. Блок двигателей маховиков (БДМ)
Двигатели-маховики – вращающиеся инерционные устройства, создающие момент силы для поворота космического аппарата без расхода топлива. БДМ состоит из трёх электромоторов с маховиками и стека плат-драйверов. Маховики блока проходят динамическую балансировку.
Преимущества:
- отсутствие расхода рабочего тела
- высокая скорость воздействия
- высокая точность управления.
Создание прецизионного управляющего момента по трём осям позволяет проводить точную ориентацию и стабилизацию, критичные для любого спутника.
4. Система ориентации и стабилизации (СОиС)
СОиС – система, обеспечивающая определённое положение осей аппарата относительно некоторых заданных направлений. Решает задачи по установлению текущего положения КА, коррекции и поддержания ориентации. Блок СОиС соответствует стандарту PC-104.
Система осуществляет обработку данных, приходящих от датчиков угловых скоростей и магнетометра, управляет магнитными исполнительными органами и БДМ.
На плате блока находятся:
- три магнитных исполнительных органа (электромагнитные катушки)
- трёхосный магнитометр, трёхосный датчик угловых скоростей
- разъём подключения блока двигателей-маховиков
- разъём подключения внешнего магнитометра.
Как и бортовая вычислительная машина, такой блок СОиС обладает всеми базовыми системами, достаточными для управления внешними устройствами больших космических аппаратов.
Выводы
Разработка космической платформы требует комплексного подхода и тщательного проектирования каждой подсистемы. Современные технологии (MEMS-датчики, компактные БВМ, эффективные системы энергоснабжения) позволяют создавать малые спутники даже в частных лабораториях.
Наличие космических платформ открывает возможности для быстрого серийного изготовления аппаратов разного назначения: одна и та же основа может быть использована для спутника оптического наблюдения и для связного. Подход существенно ускоряет и удешевляет разработку.
Универсальность распространяется и на лёгкую интеграцию в космические аппараты большего размера, и на ракеты-носители. Массовость производства позволяет развёртывать и восполнять орбитальные группировки, отвечающие запросам рынка в части оперативности и точности.
Компактная бортовая аппаратура высвобождает место для более мощной и функциональной полезной нагрузки спутника. Это обеспечивает конкурентное преимущество и достойные позиции в мировой гонке космических технологий.