Экзотические кубсаты: нетрадиционные схемы использования малых КА
Американское космическое агентство сейчас отрабатывает различные перспективные конструкции космических аппаратов (КА) и схемы их использования. Эксперименты нацелены на оптимизацию формы спутников, упрощения управления и передачи данных, а также снижение затрат. Подробнее о проектах NASA — в материале SATCOMRUS.
Это второй обзорный материал о перспективах использования малых космических аппаратов на примере программ NASA, с первым текстом можно ознакомиться здесь.
Это второй обзорный материал о перспективах использования малых космических аппаратов на примере программ NASA, с первым текстом можно ознакомиться здесь.
DiskSat
Сегодня минимальную цену на вывод своего КА на орбиту можно получить при групповом запуске тяжелой ракетой. В частности, на конференции World Satellite Business Week (WSBW) в прошлом году прозвучало мнение, что SpaceX своей программой SmallSat Rideshare Programm серьезно понизил планку вхождения в космический бизнес для пользователей малых спутников. При таком подходе крайне важной характеристикой кубсата становится его форма и объем, т.е. — удобство совместного расположения с другими аппаратами под обтекателем. Правильная контейнеризация кубсата гарантирует его сохранность во время запуска, равно как и отсутствие угрозы с его стороны остальной полезной нагрузке (ПН).
Во время исследования возможности создания большой группировки, состоящей из кубсатов, исследователи Aerospace Corporation пришли к выводу, что оптимальной формой КА станет фактически двумерный диск – около 1 м в диаметре и 2,5 см толщиной. Так родилась программа DiskSat, поддержанная NASA в рамках программы SST.
Космический аппарат в форме диска предельно облегчает контейнеризацию и позволяет при относительно малых габаритах создавать антенны большой мощности и апертуры. Объем составляет почти 20 л, что эквивалентно гипотетическому CubeSat высотой 20U, а масса самой конструкции менее 3 кг. Площадь поверхности достаточно велика, чтобы разместить солнечные элементы мощностью более 200 Вт без развертываемых солнечных панелей.
Сегодня минимальную цену на вывод своего КА на орбиту можно получить при групповом запуске тяжелой ракетой. В частности, на конференции World Satellite Business Week (WSBW) в прошлом году прозвучало мнение, что SpaceX своей программой SmallSat Rideshare Programm серьезно понизил планку вхождения в космический бизнес для пользователей малых спутников. При таком подходе крайне важной характеристикой кубсата становится его форма и объем, т.е. — удобство совместного расположения с другими аппаратами под обтекателем. Правильная контейнеризация кубсата гарантирует его сохранность во время запуска, равно как и отсутствие угрозы с его стороны остальной полезной нагрузке (ПН).
Во время исследования возможности создания большой группировки, состоящей из кубсатов, исследователи Aerospace Corporation пришли к выводу, что оптимальной формой КА станет фактически двумерный диск – около 1 м в диаметре и 2,5 см толщиной. Так родилась программа DiskSat, поддержанная NASA в рамках программы SST.
Космический аппарат в форме диска предельно облегчает контейнеризацию и позволяет при относительно малых габаритах создавать антенны большой мощности и апертуры. Объем составляет почти 20 л, что эквивалентно гипотетическому CubeSat высотой 20U, а масса самой конструкции менее 3 кг. Площадь поверхности достаточно велика, чтобы разместить солнечные элементы мощностью более 200 Вт без развертываемых солнечных панелей.
Выгрузка DiskSat из диспенсера на орбите. Рисунок Aerospace Corp.
Также разработчики считают, что низкое сопротивление DiskSat позволит ему работать на орбитах около 200 км, что при прочих равных улучшит его характеристики. Еще одним преимуществом названо отсутствие необходимости разворачивать антенны и солнечные батареи, что упрощает ввод спутника в рабочее состояние и повышает надежность.
Итогом программы, финансируемой NASA, должен стать запуск четырех аппаратов, в ходе которого будет продемонстрировано функционирование контейнера, систем разделения и развода по орбите. Демонстрационная миссия должна подтвердить саму концепцию спутника и механизма отделения (диспенсера). Именно он является критическим элементом миссии.
Рассматривается несколько видов ПН, но она не является ключевым фактором для первой миссии. В дальнейшем большие перспективы DiskSat видит в первую очередь в радиолокационных системах с распределенной синтезированной апертурой. Также будут востребованы коммуникационные системы, для которых нужны передатчики высокой мощности и большие антенны.
В случае успеха главной миссии (если все четыре аппарата успешно выйдут на орбиту), будут отработаны и маневры на низких орбитах. Дело в том, что на НОО, менее 300 км, на поведение космического аппарата начинает влиять сопротивление атмосферы. Дискообразный спутник имеет низкое лобовое сопротивление, что при наличии электрореактивного двигателя открывает хорошие перспективы постоянной работы на низких орбитах.
Сейчас конструкция DiskSat проходит стадию критического анализа конструкции, а запуск планируется на вторую половину 2024 г. Первую конструкцию неофициально называют «класс 1 метр», подразумевая, что в дальнейшем аппараты можно будет масштабировать так же, как кубсаты класса 1U, 2U, 3U и пр. Этот диаметр и определяет класс ракет-носителей (РН), которые можно использовать для запуска. Из действующих РН минимальной названа ракета Electron компании Rocket Lab.
Размеры DiskSat можно увеличивать или уменьшать в соответствии с размерами ракеты-носителя без изменения системы развертывания. Теоретически рассматриваются конструкции до 5 м под обтекатель Falcon 9. При этом вырастет и толщина DiskSat — минимум до 10 см.
Также разработчики считают, что низкое сопротивление DiskSat позволит ему работать на орбитах около 200 км, что при прочих равных улучшит его характеристики. Еще одним преимуществом названо отсутствие необходимости разворачивать антенны и солнечные батареи, что упрощает ввод спутника в рабочее состояние и повышает надежность.
Итогом программы, финансируемой NASA, должен стать запуск четырех аппаратов, в ходе которого будет продемонстрировано функционирование контейнера, систем разделения и развода по орбите. Демонстрационная миссия должна подтвердить саму концепцию спутника и механизма отделения (диспенсера). Именно он является критическим элементом миссии.
Рассматривается несколько видов ПН, но она не является ключевым фактором для первой миссии. В дальнейшем большие перспективы DiskSat видит в первую очередь в радиолокационных системах с распределенной синтезированной апертурой. Также будут востребованы коммуникационные системы, для которых нужны передатчики высокой мощности и большие антенны.
В случае успеха главной миссии (если все четыре аппарата успешно выйдут на орбиту), будут отработаны и маневры на низких орбитах. Дело в том, что на НОО, менее 300 км, на поведение космического аппарата начинает влиять сопротивление атмосферы. Дискообразный спутник имеет низкое лобовое сопротивление, что при наличии электрореактивного двигателя открывает хорошие перспективы постоянной работы на низких орбитах.
Сейчас конструкция DiskSat проходит стадию критического анализа конструкции, а запуск планируется на вторую половину 2024 г. Первую конструкцию неофициально называют «класс 1 метр», подразумевая, что в дальнейшем аппараты можно будет масштабировать так же, как кубсаты класса 1U, 2U, 3U и пр. Этот диаметр и определяет класс ракет-носителей (РН), которые можно использовать для запуска. Из действующих РН минимальной названа ракета Electron компании Rocket Lab.
Размеры DiskSat можно увеличивать или уменьшать в соответствии с размерами ракеты-носителя без изменения системы развертывания. Теоретически рассматриваются конструкции до 5 м под обтекатель Falcon 9. При этом вырастет и толщина DiskSat — минимум до 10 см.
«Рой» и группировка
В группировке каждый космический аппарат управляется индивидуально, и увеличение их числа ведет к усложнению управления и росту затрат.
Самокоординирующийся рой — группа спутников, умеющих «коммуницировать» друг с другом, контролировать и поддерживать взаимное расположение, совершать общие маневры, собирать и передавать данные всей группой, выделяя каждому аппарату свой участок работы.
Первые опыты NASA по созданию автономного роя проведены в 2016 году на двух кубсатах Nodes, запущенных с Международной космической станции.
В группировке каждый космический аппарат управляется индивидуально, и увеличение их числа ведет к усложнению управления и росту затрат.
Самокоординирующийся рой — группа спутников, умеющих «коммуницировать» друг с другом, контролировать и поддерживать взаимное расположение, совершать общие маневры, собирать и передавать данные всей группой, выделяя каждому аппарату свой участок работы.
Первые опыты NASA по созданию автономного роя проведены в 2016 году на двух кубсатах Nodes, запущенных с Международной космической станции.
CPOD
В июне 2023 года завершилась миссия CubeSat Proximity Operations Demonstration (CPOD) после того, спутники израсходовали все запасы топлива. В результате нескольких попыток удалось сблизить два аппарата CPOD размером 3U (10 x 10 x 33 см) с расстояния в сотни км на расстояние нескольких сотен метров. Дальнейшее сближение и стыковку выполнить не удалось из-за проблем с системами наведения, навигации и управления. Тогда в процессе использовались универсальное стыковочное устройство, датчики изображения и двигательная установка на сжатом газе. Операций выполнялись автономно с применением бортовых процессоров и летного программного обеспечения. Спутники CPOD имели трехосевое управление ориентацией, а также одностороннюю связь в S-диапазоне для передачи данных.
Эксперимент показал работоспособность алгоритма сближения как стыковки RPOD (rendezvous, proximity operations, and docking), так и самой технологии.
В июне 2023 года завершилась миссия CubeSat Proximity Operations Demonstration (CPOD) после того, спутники израсходовали все запасы топлива. В результате нескольких попыток удалось сблизить два аппарата CPOD размером 3U (10 x 10 x 33 см) с расстояния в сотни км на расстояние нескольких сотен метров. Дальнейшее сближение и стыковку выполнить не удалось из-за проблем с системами наведения, навигации и управления. Тогда в процессе использовались универсальное стыковочное устройство, датчики изображения и двигательная установка на сжатом газе. Операций выполнялись автономно с применением бортовых процессоров и летного программного обеспечения. Спутники CPOD имели трехосевое управление ориентацией, а также одностороннюю связь в S-диапазоне для передачи данных.
Эксперимент показал работоспособность алгоритма сближения как стыковки RPOD (rendezvous, proximity operations, and docking), так и самой технологии.
Starling
В июле 2023 года компания Rocket Lab запустила четыре кубсата размером 6U, цель — исследовать, смогут ли КА взаимодействовать самостоятельно, без вмешательства центра управления полетами. Технологии и алгоритмы автономного взаимодействия аппаратов важны для успешного проведения будущих миссий в дальнем космосе.
В ходе эксперимента спутники Starling будут отрабатывать четыре основных маневра:
1. автономное маневрирование в составе группы;
2. создание адаптируемой сети связи между космическими аппаратами;
3. отслеживание относительного положения друг друга;
4. безопасные индивидуальные маневры.
Впоследствии можно будет создавать автономно существующий рой малых спутников, способный реагировать на сигналы и данные, поступающие из окружающей среды. Автономные технологии управления важны для NASA при исследовании дальнего космоса, где задержки сигнала делают управление маневрированием фактически невозможным.
Еще одна задача: отработать технологии, которые позволят создавать в космосе сети, способные самостоятельно восстанавливаться в случае выхода из строя какой-либо ее части. На спутниках Starling проводятся испытания межспутниковой связи и бортового ПО, определяющего оптимальную маршрутизацию трафика. Для автономной ориентации КА используют звездные датчики, а также свет, отражаемый другими космическими аппаратами.
Еще один эксперимент должен продемонстрировать способность группировки к совместной оптимизации собранных данных. Starling будут изучать земную ионосферу, и в случае обнаружения одним из них какого-либо интересного явления, по его информации остальные аппараты также включатся в наблюдение.
В случае успешного завершения основной миссии Starling перейдут ко второму этапу: тестирование методов управления космическим движением автономных аппаратов, управляемых разными операторами. Здесь партнером NASA выступит компания SpaceX с группировкой Starlink. NASA и SpaceX намерены продемонстрировать автоматизированную систему, обеспечивающую безопасную работу обеих группировок, которые находятся в относительной близости на низкой околоземной орбите.
В июле 2023 года компания Rocket Lab запустила четыре кубсата размером 6U, цель — исследовать, смогут ли КА взаимодействовать самостоятельно, без вмешательства центра управления полетами. Технологии и алгоритмы автономного взаимодействия аппаратов важны для успешного проведения будущих миссий в дальнем космосе.
В ходе эксперимента спутники Starling будут отрабатывать четыре основных маневра:
1. автономное маневрирование в составе группы;
2. создание адаптируемой сети связи между космическими аппаратами;
3. отслеживание относительного положения друг друга;
4. безопасные индивидуальные маневры.
Впоследствии можно будет создавать автономно существующий рой малых спутников, способный реагировать на сигналы и данные, поступающие из окружающей среды. Автономные технологии управления важны для NASA при исследовании дальнего космоса, где задержки сигнала делают управление маневрированием фактически невозможным.
Еще одна задача: отработать технологии, которые позволят создавать в космосе сети, способные самостоятельно восстанавливаться в случае выхода из строя какой-либо ее части. На спутниках Starling проводятся испытания межспутниковой связи и бортового ПО, определяющего оптимальную маршрутизацию трафика. Для автономной ориентации КА используют звездные датчики, а также свет, отражаемый другими космическими аппаратами.
Еще один эксперимент должен продемонстрировать способность группировки к совместной оптимизации собранных данных. Starling будут изучать земную ионосферу, и в случае обнаружения одним из них какого-либо интересного явления, по его информации остальные аппараты также включатся в наблюдение.
В случае успешного завершения основной миссии Starling перейдут ко второму этапу: тестирование методов управления космическим движением автономных аппаратов, управляемых разными операторами. Здесь партнером NASA выступит компания SpaceX с группировкой Starlink. NASA и SpaceX намерены продемонстрировать автоматизированную систему, обеспечивающую безопасную работу обеих группировок, которые находятся в относительной близости на низкой околоземной орбите.
25/01/2024 АНАЛИТИКА