Космос в пробирке

Традиционные космические технологии всегда были очень дорогими и недоступными для энтузиастов и молодых инженеров. Это и понятно: находясь на орбите, любой спутник подвергается очень сильному воздействию радиации, находится в специфическом температурном режиме. Использовать «бытовые» материалы и компоненты для его создания можно только очень ограниченно (например, аккумуляторы). Большая часть комплектующих должна быть специально предназначена для эксплуатации на орбите и может стоить миллионы рублей и даже долларов.

Однако с развитием частной космонавтики в космос пришли бытовые технологии — экономичные способы производства, дешевые материалы и компонентная база. Использование бытовых компонентов позволяет существенно снизить стоимость спутника, и, несмотря на то, что такой спутник быстро приходит в негодность, это позволяет сэкономить на разработке и других этапах жизненного цикла аппарата. Так, индустриальные стандарты микро- и наноспутников, например, cubesat, существенно облегчают проектирование и запуск современных спутников.

Появившаяся в последнее время доступная компонентная база для орбитальных спутников позволяет сегодня создавать функциональные модели таких аппаратов, которые почти полностью повторяют их характеристики и служат учебным материалом для будущих инженеров и конструкторов. 

7-8 ноября в МАМИ прошел всероссийский турнир «Орбита», на котором студенты и старшекласники могли заняться именно таким функциональным моделированием. Первая часть турнира была проведена в онлайн-формате: участники запускали космические аппараты в виртуальной среде (как в компьютерной игре), решая задачи по физике, математике и программированию. На очном этапе космического турнира финалисты собирали функциональную модель орбитального спутника, которая почти полностью воспроизводила работу систем настоящего аппарата. Эта модель, созданная специалистами МАМИ совместно с компанией «Спутникс», предназначена тех, кто увлекается программированием и робототехникой — и, возможно, задумывается о карьере в современной космической отрасли.

Конструктор, из которого можно собрать модель спутника, представляет собой набор компонентов, часть которых повторяет реальные системы настоящих орбитальных аппаратов. Смысл конструктора в том, что он позволяет собственными руками собрать спутник из сравнительно недорогих компонентов, и этот спутник будет точно моделировать поведение настоящего аппарата.

Собранный спутник имеет размеры приблизительно 30×30 см — это сопоставимо с реальным аппаратом. В комплект конструктора входят:

• камера
  
• устройство для высокопроизводительной связи, антенна которого должна быть направлена точно на принимающий пункт на поверхности «Земли».
  
• УКВ-передатчик для передачи телеметрии «на Землю» (роль Земли играет ноутбук, установленный в соседнем помещении).
  
• система управления питанием. Работа солнечной батареи и аккумуляторов реализованы отчасти аппаратно и отчасти программно. При испытаниях модели спутника в качестве «солнца» используется прожектор мощностью несколько кВт: он моделирует изменение уровня освещения, но его мощность, разумеется, далека от солнечной)
  

Во время испытаний модель спутника располагается рядом с «земным шаром», на котором есть специальные точки для обмена сигналами со спутником. Система высокопроизводительной связи представляет собой «фонарик», который, попадая в определенную точку «Земли», дает узконаправленный пучок радиоволн.

У конструктора высокая степень детализации: системы связи, например, повторяют характеристики реальных систем, которые устанавливаются на настоящий спутник. При испытании модели спутника его подвешивают, и он вращается вокруг одной из своих осей, обмениваясь радиосигналами и производя другие действия по образцу настоящего орбитального спутника. В «спутнике из конструктора» есть все типы систем, которые есть в реальном аппарате, и студентам остается сконструировать его так, чтобы он решал поставленную задачу: фотографировал определенные точки земного шара и обменивался данными с «Землей».

Корпус модели сделан из композитного материала, который может использоваться и в настоящем спутнике, радиопередатчик также передает телеметрию на той же частоте, что и реальный аппарат. Аккумуляторы в модели — такие же, как те, что используются в экономичных микроспутниках на земной орбите.

Один из самых сложных и реалистичных участков работы с моделью спутника — программирование, которое проводится на языке С++ (так же, как с реальным спутником). Ответственность программиста столь же высока, как в случае с реальным запуском: малейшая ошибка в программе приведет к ошибкам в работе, спутник перестанет быть управляемым и будет потерян.

В создании и запуске настоящего спутника конструкторы должны учитывать и согласовывать между собой множество параметров. Например, энергопотребление: спутнику должно хватать солнечной энергии и энергии из других источников для работы всех систем аппарата. Если, например, возникнет необходимость установить камеру большей мощности, потребуется изменить всю систему энергопитания аппарата.

Для тех, кто собирает функциональную модель спутника, все эти задачи воспроизводятся почти «дословно» — это интересный опыт, который нельзя получить вне практической комплексной работы над конструкторской задачей. Команды инженеров должны разделить функции на параллельные треки, согласовывать между собой параметры систем — только в этом случае у них получится в сжатые сроки «запустить» аппарат на орбиту модели Земли.

При эксплуатации реального спутника большое значение имеет система управления температурными режимами. Спутник имеет разные режимы работы в тени и на солнце, и эти режимы должны регулироваться автоматически. Космические аппараты обматывают слоистой золотистой пленкой, делая из него своего рода «термос», препятствующий теплообмену между спутником и космосом. Смоделировать теплообмен на земле, конечно, сложно, поэтому температурные режимы воспроизводятся программными средствами. Это общая закономерность функциональной модели: все, что не может быть смоделировано «в железе», моделируется «в софте».

«Собирая модель спутника, команды инженеров сталкиваются с неожиданными задачами: не все из них относятся к задачам по сборке или программированию, — рассказывает Алексей Федосеев, руководитель проекта „Орбита“. — Не менее важно правильно распределить функции внутри команды, проработать экономическую модель процесса запуска спутника, рассчитать стоимость компонентной базы с учетом всех этапов жизненного цикла космического аппарата».

Симулятор орбитального спутника планируется использовать не только для проведения инженерных соревнований, но и в работе со школьниками: сейчас создаются методические материалы для преподавателей, которые смогут встроить космический конструктор в работу с юными учеными и инженерами. Таким образом, космос для школьников скоро будет представлен не только астрономией и изготовлением макетов ракет, как сегодня — но также возможностью собрать «из железа» настоящий космический аппарат.

Екатерина Когтева