Стандартные интерфейсы, лазерная связь и исследование дальнего космоса: перспективы использования малых космических аппаратов на примере программ NASA
Групповые запуски, пуски попутной нагрузкой, использование специализированных небольших ракет и другие возможности по отправке малых спутников (SmallSat) в околоземное пространство увеличивают доступность космических технологий и заставляют внимательнее присмотреться к возможностям этого вида аппаратов.
Повышение функционала малых КА инициировало программу NASA SST — Small Spacecraft Technology. Быстрая разработка и демонстрация возможностей малых космических аппаратов позволяют серьезно сократить финансовые и временные затраты на проведение различных космических миссий, в том числе и уникальных.
Повышение функционала малых КА инициировало программу NASA SST — Small Spacecraft Technology. Быстрая разработка и демонстрация возможностей малых космических аппаратов позволяют серьезно сократить финансовые и временные затраты на проведение различных космических миссий, в том числе и уникальных.
Малые спутники и кубсаты: классификация
Согласно определению NASA, малые космические аппараты (SmallSats) делятся на следующие категории: миниспутники массой 100-180 кг; микроспутники (10-100 кг), наноспутники (1-10 кг), пикоспутники (0,1-1 кг), фемтоспутники (0,001- 0,1 кг).
В 1999 году Калифорнийский политехнический государственный университет в сотрудничестве со Стэнфордским университетом разработали небольшую спутниковую платформу под названием "CubeSat", предназначенную для научных исследований, в том числе в образовательных целях. Кубсат изначально — малый космический аппарат массой от нескольких килограммов в форм-факторе куба с гранью размером 10 см, или же 1U. Сегодня к кубсатам относят уже аппараты в форм-факторе до 12U.
Согласно определению NASA, малые космические аппараты (SmallSats) делятся на следующие категории: миниспутники массой 100-180 кг; микроспутники (10-100 кг), наноспутники (1-10 кг), пикоспутники (0,1-1 кг), фемтоспутники (0,001- 0,1 кг).
В 1999 году Калифорнийский политехнический государственный университет в сотрудничестве со Стэнфордским университетом разработали небольшую спутниковую платформу под названием "CubeSat", предназначенную для научных исследований, в том числе в образовательных целях. Кубсат изначально — малый космический аппарат массой от нескольких килограммов в форм-факторе куба с гранью размером 10 см, или же 1U. Сегодня к кубсатам относят уже аппараты в форм-факторе до 12U.
Таким образом, изначально к кубсатам относили исключительно наноспутники, затем, перейдя границу размерности в 6U, в кубсаты попали и микроспутники.
Новые технологические возможности ведут к созданию более крупных CubeSat и меньших SmallSat: увеличивать кубсаты и уменьшать размеры малых аппаратов оказалось попросту выгоднее. Традиционные платформы CubeSat объемом 1U и 3U выросли до 27U, а SmallSat, когда-то рассчитанные на вес <400 кг, теперь имеют вес <100 кг с аналогичными возможностями и меньшей стоимостью.
Институты NASA для развития малых КА
Под руководством американского космического агентства работает Виртуальный институт систем малых космических аппаратов (Small Spacecraft Systems Virtual Institute (S3VI). Его цель — создание механизмов сотрудничества и распространения информации о программах, возможностях и деятельности NASA по малым космическим аппаратам, а также содействие исследованиям и миссиям с использованием SmallSat.
Год назад, в январе 2023 года, NASA выбрало девять космических технологий для проведения летных испытаний, выделив на них $6,1 млн. Авторы программ получат грант, позволяющий купить вывод на орбиту у одного из американских пусковых провайдеров. Этим проектом космическое агентство США поддерживает технологии, которые считает приоритетными, в том числе и из области SmallSat. Например, устройство, предназначенное для перекачки жидкого топлива из одного бака в другой в условиях микрогравитации, рассматривается в качестве решения для дозаправки спутников и космических кораблей в длительных миссиях. С той же целью получил поддержку и эксперимент по анализу теплопередачи в баках криогенного топлива. Технология наведения и навигации для малых космических аппаратов, в свою очередь, продемонстрирует возможность автономного определения орбиты в окололунном пространстве.
Аналогичный конкурс на получение гранта для проведения испытаний вскоре будет проведен и в 2024 году.
Также NASA в рамках программы Small Spacecraft Technology продвигает развитие нескольких технологий для исполнения научно-исследовательских миссий в дальнем космосе.
Под руководством американского космического агентства работает Виртуальный институт систем малых космических аппаратов (Small Spacecraft Systems Virtual Institute (S3VI). Его цель — создание механизмов сотрудничества и распространения информации о программах, возможностях и деятельности NASA по малым космическим аппаратам, а также содействие исследованиям и миссиям с использованием SmallSat.
Год назад, в январе 2023 года, NASA выбрало девять космических технологий для проведения летных испытаний, выделив на них $6,1 млн. Авторы программ получат грант, позволяющий купить вывод на орбиту у одного из американских пусковых провайдеров. Этим проектом космическое агентство США поддерживает технологии, которые считает приоритетными, в том числе и из области SmallSat. Например, устройство, предназначенное для перекачки жидкого топлива из одного бака в другой в условиях микрогравитации, рассматривается в качестве решения для дозаправки спутников и космических кораблей в длительных миссиях. С той же целью получил поддержку и эксперимент по анализу теплопередачи в баках криогенного топлива. Технология наведения и навигации для малых космических аппаратов, в свою очередь, продемонстрирует возможность автономного определения орбиты в окололунном пространстве.
Аналогичный конкурс на получение гранта для проведения испытаний вскоре будет проведен и в 2024 году.
Также NASA в рамках программы Small Spacecraft Technology продвигает развитие нескольких технологий для исполнения научно-исследовательских миссий в дальнем космосе.
Advanced Composite Solar Sail System (ACS3)
Здесь речь идет о технологии использования солнечного паруса, с помощью которого спутник сможет перемещаться в космосе под давлением солнечного света. В ходе миссии ACS3 будет продемонстрирована возможность развертывания сложной конструкции из композитных материалов с КА класса CubeSat. Результаты программы используют при проектировании будущих более крупных композитных солнечных парусов на исследовательских космических аппаратах, например, для разведки астероидов или для ретрансляции сигнала из дальнего космоса.
Выйдя на орбиту, ACS3 сначала развернет солнечные батареи, а затем начнет разворачивать солнечный парус с помощью четырех композитных стрел длиной около 7 метров. Длина стороны самого паруса квадратной формы составит около 9 метров. Весь процесс будет контролироваться бортовыми камерами. Запуск намечен на 2024 год.
Здесь речь идет о технологии использования солнечного паруса, с помощью которого спутник сможет перемещаться в космосе под давлением солнечного света. В ходе миссии ACS3 будет продемонстрирована возможность развертывания сложной конструкции из композитных материалов с КА класса CubeSat. Результаты программы используют при проектировании будущих более крупных композитных солнечных парусов на исследовательских космических аппаратах, например, для разведки астероидов или для ретрансляции сигнала из дальнего космоса.
Выйдя на орбиту, ACS3 сначала развернет солнечные батареи, а затем начнет разворачивать солнечный парус с помощью четырех композитных стрел длиной около 7 метров. Длина стороны самого паруса квадратной формы составит около 9 метров. Весь процесс будет контролироваться бортовыми камерами. Запуск намечен на 2024 год.
Лазерная связь
28 апреля 2023 года NASA провело успешные испытания высокоскоростной — 200 Гбит/с — линии связи «спутник-земля». Она была реализована при помощи системы TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), выведенной на орбиту на борту спутника Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3). Таким образом TBIRD может отправить на Землю несколько терабайт данных за один шестиминутный проход над земной станцией.
PTD-3 построен компанией Terran Orbital, полезная нагрузка TBIRD спроектирована и изготовлена Лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института (MIT-LL).
NASA поддерживает также программу CubeSat Laser Infrared CrosslinK (CLICK) по отработке технологии связи между небольшими космическими аппаратами, а также определения расстояния между ними и местоположения.
В октябре 2022 года с МКС был выведен на орбиту спутник CLICK A, на котором была продемонстрирована высокая точность наведения системы управления рефлектором. Это позволит использовать лазер меньшей мощности в следующей миссии CLICK B/C. Также в ходе испытаний CLICK A был реализован лазерный канал связи со скоростью более 10 Мбит/с от спутника с высоты 400 км на тридцатисантиметровую антенну на Земле.
На конец 2024 года запланирована вторая фаза эксперимента CLICK B/C, в ходе которой будет отрабатываться дуплексная оптическая связь на скорости не менее 20 Мбит/с между двумя кубсатами размером 3U на расстояниях 25-600 км друг от друга. Также будет отрабатываться технология точного определения расстояний между спутниками. Эксперименты CLICK финансируются программой Small Spacecraft Technology (SST).
28 апреля 2023 года NASA провело успешные испытания высокоскоростной — 200 Гбит/с — линии связи «спутник-земля». Она была реализована при помощи системы TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), выведенной на орбиту на борту спутника Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3). Таким образом TBIRD может отправить на Землю несколько терабайт данных за один шестиминутный проход над земной станцией.
PTD-3 построен компанией Terran Orbital, полезная нагрузка TBIRD спроектирована и изготовлена Лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института (MIT-LL).
NASA поддерживает также программу CubeSat Laser Infrared CrosslinK (CLICK) по отработке технологии связи между небольшими космическими аппаратами, а также определения расстояния между ними и местоположения.
В октябре 2022 года с МКС был выведен на орбиту спутник CLICK A, на котором была продемонстрирована высокая точность наведения системы управления рефлектором. Это позволит использовать лазер меньшей мощности в следующей миссии CLICK B/C. Также в ходе испытаний CLICK A был реализован лазерный канал связи со скоростью более 10 Мбит/с от спутника с высоты 400 км на тридцатисантиметровую антенну на Земле.
На конец 2024 года запланирована вторая фаза эксперимента CLICK B/C, в ходе которой будет отрабатываться дуплексная оптическая связь на скорости не менее 20 Мбит/с между двумя кубсатами размером 3U на расстояниях 25-600 км друг от друга. Также будет отрабатываться технология точного определения расстояний между спутниками. Эксперименты CLICK финансируются программой Small Spacecraft Technology (SST).
Стандартный интерфейс
При явном росте возможностей запуска малых КА остается проблема интеграции полезной нагрузки (ПН) с различными средствами выведения. Этот процесс остается одним из слабых мест в процессе летных испытаний космических технологий и конструкций.
Для ускорения перехода к стадии космических испытаний NASA в рамках конкурса TechLeap Prize предложила заинтересованным игрокам разработать универсальный интерфейс как для ПН и различных космических платформ, так и для КА и средств выведения. Приз точно такой же — грант на проведение летных испытаний.
При явном росте возможностей запуска малых КА остается проблема интеграции полезной нагрузки (ПН) с различными средствами выведения. Этот процесс остается одним из слабых мест в процессе летных испытаний космических технологий и конструкций.
Для ускорения перехода к стадии космических испытаний NASA в рамках конкурса TechLeap Prize предложила заинтересованным игрокам разработать универсальный интерфейс как для ПН и различных космических платформ, так и для КА и средств выведения. Приз точно такой же — грант на проведение летных испытаний.
18/01/2024 АНАЛИТИКА