Для «Ъ-Науки» инженер Павел Колесников, руководитель лаборатории микроспутниковых систем Центра инженерных систем и наук Сколтеха (входит в группу ВЭБ.РФ), рассказывает, как кубсаты меняют подход к освоению космоса, почему малые аппараты становятся мощным образовательным инструментом и как рои таких спутников смогут обеспечивать связь и мониторинг Земли в реальном времени.
Формат кубсатов появился на стыке космической и робототехнической инженерии. Выбор размера 1U — 10×10х10 см — не случайный. Размер 10 см оказался золотым сечением для сверхмалого спутника: он позволял разместить внутри корпуса все ключевые системы. Для корпуса выбрали алюминиевые сплавы, которые сочетают высокую прочность с приемлемым весом. Этот размер удачно сочетался с другим стандартом — PC/104, который используется для соединения модульных систем в робототехнике. Сегодня мы работаем с форматами 2U, 6U, 16U и даже 24U, где один U — это все тот же 10-сантиметровый куб. Внутри таких аппаратов уже можно размещать не только служебные системы, но и полноценную научную аппаратуру.
В лаборатории микроспутниковых систем Сколтеха мы проектируем, собираем, программируем и запускаем такие спутники, а затем управляем ими с Земли через собственный центр управления полетом. Студенты проходят весь цикл: от первых чертежей и написания кода до получения телеметрии с орбиты. Это принципиально отличается от работы с большими космическими аппаратами, где срок разработки может достигать 15−20 лет, а на кону стоит одна миссия и один шанс на успех. Кубсаты позволяют двигаться быстрее, пробовать, ошибаться и улучшать — и делать это в рамках учебного процесса.
Я пришел в Сколтех из промышленности, где занимался разработкой высоконагруженных алгоритмов для управления промышленной автоматикой. Опыт работы с надежными системами, где ошибка может стоить дорого, оказался крайне полезным при создании космической электроники. Но именно малые спутники позволили мне применить самые сложные из моих инженерных компетенций. Потому что спутник — это аппарат, который после запуска нельзя взять в руки, нельзя подергать проводок, нельзя подключить тестер. Вся надежность закладывается на этапе проектирования и испытаний. Наши студенты это понимают с самого начала. Они не просто пишут код на коленке — они тестируют его на реальном железе, видят шумы на осциллографе, исправляют ошибки и снова проверяют.
Образовательный процесс в лаборатории построен на работе с «железом». У нас есть методика, которую мы называем FlatSat — это полный аналог спутника на столе. Студент может собрать аппарат, произвести наладку всех узлов, освоить систему ориентации, разобраться с резервированием и логикой работы. У нас есть даже настольный центр управления полетом, который позволяет имитировать полетный цикл так, как будто аппарат уже на орбите. Мы включаем полезную нагрузку, запускаем тестовые алгоритмы, получаем данные и учимся управлять миссией в условиях, максимально приближенных к реальным. И все это происходит не в теории, а с паяльником в руках.
Один из наших текущих проектов — студенческий спутник Skoltech-F. Это аппарат в формате CubeSat 3U+ на полностью оригинальной платформе SkSP-2, которую мы разработали в лаборатории. По сравнению с предыдущей версией, SkSP-1, новая платформа позволяет разместить значительно больше полезной нагрузки. Спутник уже обзавелся корпусом, антенной системой, бортовым компьютером нового формата, GPS-модулем, солнечными датчиками и маховиками системы ориентации — прототип готов. Но главная цель миссии — исследование и повышение надежности электронной памяти в условиях космоса. Космическая радиация провоцирует сбои в работе микросхем, и задача тестировать и совершенствовать методы коррекции ошибок становится критически важной. Разработка Skoltech-F ведется в рамках федерального проекта «Кадры для космоса».
Кубсаты выполняют не только образовательные функции. Все чаще они решают практические прикладные задачи. Группировки малых спутников уже сегодня следят за лесными пожарами, оценивают состояние сельскохозяйственных угодий по индексу NDVI (Normalized Difference Vegetation Index — это количественный показатель, который отражает состояние и плотность растительного покрова на основе анализа отражения и поглощения растениями световых волн), измеряют углеродный след. Есть миссии по изучению воздействия космического пространства на биологические объекты — семена растений, вегетативные части, клеточные культуры. Это шаг к пониманию, может ли биологическая материя перемещаться через космос открытым образом.
Один из наших проектов — миссия двух аппаратов Skoltech B1 и B2. Это был рой из двух спутников, каждый из которых имел модуль межспутниковой связи. После запуска они разошлись на расстояние около 2 тыс. км и начали выполнять общую задачу.
Другое направление — это оптическая межспутниковая связь. Сегодня спутники общаются с Землей в основном по радио. Но если использовать лазерный луч, можно передавать данные на порядки быстрее — до гигабит и выше. Однако это сложная задача. Лазерный луч в открытом космосе не защищен волноводом, он расширяется, и его нужно точно наводить на приемник, находящийся за тысячи километров. Но если мы научимся это делать, мы сможем не только увеличить объем передаваемых данных, но и обеспечить высокоскоростную связь там, где никогда не было кабелей.
Прямого влияния на повседневную жизнь каждого человека малые спутники пока не оказывают. Но фундаментальные знания, которые мы закладываем в наших студентов, методики, алгоритмы, опыт создания надежных систем — все это неизбежно вернется на Землю. Удешевление доступа в космос, оперативные данные о пожарах, паводках, движении льдов, возможность мониторинга инфраструктуры в реальном времени — это не фантастика, а вполне осязаемые результаты развития малых спутников.