CubeSat — размерный стандарт микро и наноспутников, предложенный в 1999 году в США. За минувшие 15 лет идея единого стандарта сильно изменила облик беспилотной космонавтики, открыла возможность сравнительно недорого создавать космические аппараты частным компаниям, любителям, студентам, даже школьникам. Благодаря CubeSat многие страны, бюджеты которых не тянули традиционную космонавтику, смогли похвалиться первым собственным космическим аппаратом.
Особенность CubeSat — фиксированные габариты, которые меняются кратно, т.е. CubeSat 1U (unit) — это космический кубик 10х10х10 см, 2U — это уже два кубика т.е. 10х10х20 см, 3U — 10х10х30 см. Пока достигнутый предел — 6U или 10х20х30 см. Под стандарты CubeSat разработаны многие конструкционные элементы, батареи, платы, датчики, системы коммуникации… Постоянно придумывают что-то новое, то сублимационный двигатель, то электромагнитный парус, то плазменный двигатель. Сейчас готовятся к запуску кубсаты оборудованные настоящими солнечными парусами.
Создаются спутники CubeSat из электроники индустриального класса, т.е. той, которая предназначена для эксплуатации на Земле, и не готовилась к космосу. Несмотря на это, возможности современных чипов позволяют им работать в казалось бы непригодных условиях. Они могут быть недолговечны, но обеспечивают работоспособность аппаратов до года, а то и больше в несколько раз. Сейчас существуют целые интернет-магазины электроники для CubeSat, хотя до уровня современных компьютеров, которые можно закупить по частям и за один вечер собрать дома, пока еще далеко. Все равно приходится тщательно тестировать совместимость систем, писать программное обеспечение, паять, отлаживать, в общем работы для нескольких инженеров хватит не на один месяц. Обо всех сложностях хорошо написали наши коллеги из компании “Спутникс”.
Несмотря на имеющиеся сложности, работа с CubeSat намного проще чем в традиционной космонавтике, и они обеспечили настоящий прорыв в космос для сотен студентов, десятков энтузиастов, ученых и бизнесменов.
Стандартные габариты CubeSat значительно упрощают процедуру выведения в космос. Дело тут не только в их малом размере и массе. Обычно считается, что именно масса в килограммах спутника определяет его стоимость выведения. Но когда дело касается таких незначительных показателей как 1-3-9 кг, существенной статьей расходов становится т.н. адаптация. Ведь мало спутник прикрутить к ракете, потом надо чтобы он отстрелился в нужное время, на нужной высоте и с нужным ускорением. Под обычные спутники, даже маленькие, приходится проводить отдельную работу и конструировать адаптер, который позволит совместить конкретный спутник с конкретной ракетой или разгонным блоком. В случае с CubeSat вопрос решается при помощи адаптации специального контейнера.
Достаточно однажды провести адаптацию контейнера с конкретной ракетой или разгонным блоком, и в дальнейшем пользоваться этой схемой во время каждого запуска.
К примеру, в России сейчас частная компания "Даурия Аэроспейс" совместно с НПО им. Лавочкина ведет работу по адаптации контейнеров CubeSat на межорбитальный буксир "Фрегат".
В результате упростится возможность выводить попутно кубсаты при запуске ракет Роскосмоса. Ранее, "кубики" десятками запускали конверсионной российско-украинской ракетой "Днепр", но сейчас от нее Роскосмос собирается отказываться для того чтобы загрузить работой российских производителей.
Еще есть возможность запускать кубсаты с Международной космической станции. Для этого на американском сегменте оборудована специальная роботизированная система частной космической компании NanoRacks. Система позволяет запускать пачками кубсаты, при этом она не требует выхода астронавтов в открытый космос.
С российского же сегмента CubeSat запускаются поштучно и классическим способом.
Запуск с МКС решает многие проблемы: он проще и дешевле ракет, для него не требуется адаптация и даже контейнер. Большинство CubeSat запускаются именно со станции. Но и здесь есть проблемы. Спутники доставляются на борту грузовых кораблей, могут пролежать до запуска несколько недель или даже месяцев, в результате чего бортовая батарея может разрядиться и спутник полетит мертвым. Воскрешать каждого у космонавтов не получается, хоть они и пытаются.
Другая проблема старта со станции — небольшой срок жизни спутника. На высоте МКС еще сравнительно сильно тормозящее воздействие земной атмосферы, поэтому даже маленькие кубсаты держатся меньше двух лет, а если у спутника есть еще раскладные солнечные батареи, то и года не летают. Это радует всех, кто переживает за чистоту космоса, но расстраивает создателей аппаратов, которые хотели бы дольше поработать со спутником, провести испытания оборудования и узнать его предельные возможности.
Более высокий и долговременный запуск требует контейнера, и поиска подходящей ракеты. Контейнер стоит денег, и немало, хотя и кажется, что это всего лишь алюминиевая коробка с крышкой. Вместе с контейнером стоимость запуска для CubeSat может меняться от $40 тыс. $100 тыс. и это только за 1U. Но это неизбежная плата, если есть цель запустить спутник, который должен работать долго и с пользой.
Теперь о пользе. Первое десятилетие кубсатов прошло под университетскими знаменами. Студенты то одного, то другого вуза (по большей части американского или британского) собирали свои кубики, за ними поспевали японские радиолюбители. И в профессиональной среде о CubeSat сложился стереотип какой-то несерьезной забавы, не совместимой ни с какими прикладными задачами. Действительно, тут взрослые дяди годами собирают аппараты по тонне и больше, а там какие-то студенты клепают килограммовые пищалки за несколько месяцев.
В то же время, первые поколения кубсатов позволили отработать массу технологических решений, перепробовать десятки различных схем и компоновок, испытать приборы полезной нагрузки. И ко второму десятилетию XXI века оказалось, что даже такие малыши годны к серьезной работе. Фактически сейчас вершится революция на наших глазах.
Одной из первых стала компания Planet Labs, кто решился весь бизнес построить на кубсатах. В 2013 году они запустили пару спутников Dove ("Голубь"), которые показали свои возможности. Размер их 3U, т.е. 10х10х30 см. В эти микроскопические, по меркам космонавтики, габариты, разработчики смогли разместить не только 90 мм телескоп и фотоматрицу, но и трехосевую систему ориентации, состоящую из трех двигателей-маховиков и магнитных катушек. Получился полноценный аппарат дистанционного зондирования Земли, размером с обычную фотозеркалку.
Сейчас их аппараты делают качественные снимки, которыми можно полюбоваться в их галерее.
Для сравнения, снимок с "настоящего" аппарата массой 450 кг
Разумеется надежность и производительность "Голубей" значительно ниже чем традиционных спутников, но их цена и возможность запуска десятками штук, открывает большие перспективы. При этом надежность каждого нового поколения повышается, т.к. инженеры получают огромный объем данных по системам, и могут оперативно заменять ненадежные элементы. Т.е. летные испытания и отработка проводится намного быстрее, чем это было с большими аппаратами.
Сейчас Planet Labs привлекла почти $140 млн инвестиций, и теперь их главная задача отстроить наземную инфраструктуру и найти эффективные пути монетизации спутниковых данных. Их цель — ежесуточно обновляемый аналог гуглокарт.
Про Planet Labs я уже неоднократно рассказывал, но мне больше нравится другой пример компании, которая выросла из кружка любителей Arduino. Сначала они на KickStarter закинули идею создать наноспутник ArduSat. Идея так понравилась сообществу, что запросив на один спутник, они набрали на два. Они привлекли внимание своей идеей предоставлять управление спутников всем желающим, за определенную плату. Еще до запуска, после успешной кампании сбора средств, они нашли первых инвесторов. В них вложился даже россиянин гендиректор и основатель Mail.Ru Дмитрий Гришин, правда выделил он "всего" $300 тыс. Об итогах запуска и испытаний спутников они особо не распространялись, но быстро переименовались из NanoSatisfy в Spire привлекли $20 млн инвестиций на развертывание целой спутниковой сети в несколько десятков аппаратов. Судя по их сайту они собираются выстроить обширную низкоорбитальную сеть приема АИС данных.
Итогом станет быстрообновляемая карта перемещения судов в морях и океанах. Такие сервисы есть и сейчас, но в основном они работают на основе береговых станций, а АИС-спутников на орбите меньше двух десятков. Spire хотят запустить 100.
К слову об АИС, есть на орбите и пара наших кубсатов — Perseus-M — это совместная разработка американского и российского подразделений "Даурии Аэроспейс". Наши там участвовали в проработке общего дизайна, компоновки и написании ПО. Размер спутника 6U, полезная нагрузка тоже датчик АИС, летают с июня 2014 года. Недавно как раз завершилось тестирование полезной нагрузки, и спутники построили свою собственную карту мирового судоходства. Сейчас готовимся к развертыванию сети наземных станций, чтобы начать поставлять оперативные данные коммерческого качества.
Впрочем, цель "Даурии" не АИС бизнес. Просто такие датчики были выбраны для тестирования спутниковой платформы. А возможности ее намного больше, в том числе можно и камеру туда поставить. Собственно, на основе опыта полученного в разработке Perseus-M, российское подразделение “Даурии” создает два спутника в стандарте CubeSat по заказу Роскосмоса. Это гораздо более сложные аппараты, с трехосевой ориентацией, мультиспектральной камерой, высокопроизводительным передатчиком Ka-диапазона.
В перспективе, компания готова адаптировать платформу под различные виды нагрузок научного и прикладного назначения. Свой контейнер тоже разрабатываем, так что скоро Роскосмос сможет предлагать полный комплекс услуг, если кому надо запустить CubeSat. К примеру, лавочкинский "Фрегат" и на Марс, и на Венеру может, только надо дождаться попутного рейса.
Российский стартап “Лин Индастриал” взялся создать специальную микроракету как раз для запуска кубсатов. Вряд ли она выйдет дешевле $100 тыс., но она может быть интересна для тех орбит, куда попутно не долететь или долго ждать оказии.
Совсем недавно пришла новость, что кубсатами заинтересовался один из разработчиков протокола криптовалюты биткоин Джефф Гарзик. Совместно с компанией Deep Space Industries он разрабатывает сеть из 24-х кубсатов, которые, по его задумке станут основой для межпланетного интернета.
В прошлом году, когда биткоины резко подскочили в цене, появились опасения о возможных ограблениях. Ключи криптовалюты хранятся на традиционных носителях информации, которые обладают физической уязвимостью, тогда я и подумал, что имело бы смысл хранить деньги в сберегательной кассе, в космосе. И вот сегодня эта идея воплощается за океаном. Джефф Гарзик не скрывает, что космический сегмент будет использоваться для резервирования биткоинов и повышения надежности распределенной сети. Ждем когда в космос полетят торренты — об этом я тоже думал год назад.
Вообще, учитывая как резко сократились габариты носителей информации, у космоса есть все перспективы стать местом базирования серверов и дата-центров практически любого размера: бесконечная и бесплатная энергия в подарок. Тут кубсаты смогут первыми отработать технологию взаимодействия наземного и космического сегментов.
В общем, сегодня все больше находится работы для CubeSat, растут их возможности и надежность компонентов, развивается инфраструктура, в том числе и в России. Коммерческое применение стандарта CubeSat — это результат творческого поиска, нестандартных идей и решительности инициаторов таких проектов. Приятно осознавать, что наша "Даурия" не отстает от лидеров "прикладного кубсатостроения", при том, что это далеко не единственное направление работы компании, но это уже другая история.
P.S. Следить за развитием технологии CubeSat можно в группе CubeSat Вконтакте.
Автор: Zelenyikot
