Хабрахабр

Три года проекту лунного микроспутника: этапы взросления

Группа инженеров-энтузиастов вызвалась принять участие в проекте и взялась за эту задачу. Три года назад я предложил разработать космический аппарат чтобы запустить к Луне и сфотографировать места посадок “Аполлонов» и “Луноходов» с достаточным качестве, чтобы различить следы оставленные там полвека назад. Нас поддержали полторы тысячи человек, и общая собранная сумма составила 1 млн 750 тыс руб. Первый этап разработки — техническое описание спутника (аванпроект) — потребовал трех лет и до сих пор не завершен.
Для выполнения первого этапа я объявил сбор средств на сайте boomstarter.ru. Основную часть суммы мы отложили на оплату государственной экспертизы подготовленного проекта в институте Роскосмоса. В проекте вся работа идет на волонтерских началах, часть собранных денег пошла на приобретение оборудования и компонентов для разработки прототипов системы радиосвязи и лазерной коммуникации. Если после экспертизы останутся средства, мы разделим их среди участников разработки, пропорционально вкладу в общее дело, то есть в текст итогового документа.

Тут ответы на некоторые частые вопросы по проекту.

Задача для команды ставилась не просто подготовить техническое описание проекта, но и сделать его в соответствии с требованиями к документации российской космической отрасли. Подготовка подобного аванпроекта на небольшой космический аппарат обошлась бы примерно в миллион рублей, и профильные организации нам бы сделали его за пару месяцев, но хотелось не просто отдать деньги в какое-нибудь КБ, получить желаемый документ и положить его на полку. Цель была — сформировать группу специалистов способных и сделать аванпроект, и собрать фотоспутник, и осуществить всю программу полета.

Не все энтузиасты оказались готовы работать в команде, не все способны оформить результаты своего труда в серьезный инженерный документ, и не все смогли сочетать волонтерство с семьей/учебой/работой. Собственно, в этом отчасти и состоят причины задержки. Основную вину в задержках я вижу на себе — не проявлял должной требовательности и упорства, мало вдохновлял личным примером.

Хочется отметить, что несоблюдение сроков в космической отрасли — распространенное явление. Сегодня работа по формированию команды продолжается, и документ медленно, но верно готовится.

Об этом можно поговорить подробнее на нашем собственном примере.

Почему нельзя просто «купить и собрать конструктор»? В чем же сложности создания космических аппаратов? Ведь все космические аппараты имеют примерно один набор бортовых систем, и космос, казалось бы, везде одинаковый — вакуум, радиация, солнечный свет… Кажется странным, что в космонавтике далеко не всё унифицировано как у персональных компьютеров, чтобы можно было самостоятельно на дому или в гараже собрать собственный спутник. Почему практически все космические проекты, связанные с разработкой новой техники не выдерживают заявляемых сроков? Но в реальности почти каждый космический аппарат — это ручная работа, провода на скрутках и скотче, творческий подход и зачастую самописное программное обеспечение.

Лишь в некоторых многоспутниковых проектах достигнут предсерийный уровень: GPS, ГЛОНАСС, геостационарные телекоммуникационные спутники, и некоторые другие проекты.

Более-менее унифицированы наноспутники формата CubeSat благодаря их дешевизне, стандартным габаритам и популярности у институтов и частных компаний.

Почему спутники везде разные?

Всех действующих космических аппаратов на околоземных орбитах около полутора тысяч. Если сравнивать с персональными компьютерами, то первое отличие от космонавтики — это размер серии. Столько компьютеров найдется в одном городском микрорайоне.

На низкой околоземной орбите примерно 40-45% времени спутники находятся в тени Земли. Второе отличие — разница физических условий на разных орбитах. Аппарат на геостационарной орбите или межпланетном перелете освещается практически 100% времени, и сброс тепла представляет большую проблему — это усложняет систему обеспечения теплового режима, увеличивает размер радиаторов и массу. Это значит, что они могут достаточно просто избавляться от излишков тепла, накопленного от солнца и от нагрева бортовых систем. Поэтому нельзя просто взять конструкцию околоземного спутника и запустить ее к Луне.

Чем ниже — тем дольше теневой участок. С лунным спутником тепловые сложности удваиваются: сначала придется лететь при постоянном солнечном свете, а потом кружиться у Луны, постепенно снижаясь. И до тепловых расчетов мы еще не добрались, пока только завершаем описание основной конструкции и состава приборов.

То есть околоземным спутникам на низкой орбите не обязательно топливо и ракетные двигатели — достаточно солнечных батарей для питания двигателей-маховиков и магнитных катушек, чтобы эффективно работать и приносить пользу. На низкой орбите Земли спутники могут использовать магнитное поле для ориентации — изменения положения в пространстве относительно центра массы (проще говоря, спутник может выбирать куда ему «смотреть» или разворачиваться солнечными батареями, применяя для поворота ту же силу, которая отклоняет стрелку компаса). Если просто взять какой-нибудь околоземный спутник и запустить к Луне, он превратится в бесполезную пищалку и сможет только слать во все стороны бесконечное «бип-бип-бип», которое быстро потеряется в радиошуме космоса. Там где магнитное поле ослабевает или вообще отсутствует, аппарату нужны ракетные двигатели для совершения разворотов. В лучшем случае его можно закрутить по одной оси и использовать для пролетной миссии, без выхода на орбиту.

Однако, как показывает практика, современная земная электроника промышленного назначения способна до года работать в межпланетном пространстве. Фактор космической радиации тоже важен — на низкой орбите спутники существенно защищены от воздействия космических частиц полусферой Земли, магнитным полем и верхними слоями атмосферы.

Как правило, малым околоземным спутникам не требуется менять орбиту с той, на которую их запустили. Третья разница между аппаратами — потребности в изменении орбиты. Для спутников на высоких орбитах уже требуется коррекция орбиты из-за длительности полета, и возмущающих факторов, которые начинают со временем накапливаться: давления солнечного света, гравитации Солнца, Луны, Юпитера и Венеры. В крайнем случае можно воспользоваться аэродинамическими приемами, как это оригинально решили в компании Planet. Коррекция орбиты — это небольшое изменение орбиты при помощи увеличения или уменьшения скорости полета.

Как аппарат запустишь, так он и полетит

Если есть достаточно точный разгонный блок, способный сразу задать межпланетному зонду нужную траекторию и вторую космическую скорость — это значительно экономит массу топлива на самом аппарате. Конструкция межпланетного аппарата сильно зависит от пусковых возможностей на старте. Но даже если помог разгонник, у цели снова придется существенно гасить межпланетную скорость. Если подходящего разгонного блока нет или грузоподъемности ракеты на него не хватает, приходится больше заливать в аппарат. Представьте себе ракету, способную разогнать 100 кг груза до скорости самого быстрого реактивного самолета — тут огнетушителя как в кино не хватит. В случае с полетом на Луну требуется сбросить примерно 850 м/с для выхода на орбиту.

То есть большой выбор и много возможностей попутного полета. При проектировании лунного микроспутника мы рассматривали два варианта запуска: попутное выведение на геостационарную орбиту и выведение на лунопереходную орбиту.
Геостационар — это популярная для коммерческих целей орбита, куда в год летает по 15-20 ракет. Такие запуски случаются примерно раз в год. Но это всего 36 тыс км, а до Луны надо пролететь в десять раз больше.
Лунопереходная орбита — это запуск в сторону Луны почти со второй космической скоростью. Однако сложные научные запуски постоянно переносятся, поэтому можно договориться о совместном полете, сделать спутник и несколько лет ждать готовности основной нагрузки. На Луну запускают или собираются запускать аппараты Китай, Индия, Япония, Россия, Южная Корея, и есть некоторая вероятность вскочить к кому-нибудь «на хвост». Идеальный вариант — доставка нашего аппарата сразу на окололунную орбиту — мы не рассматриваем из-за малой вероятности найти подходящую «попутку».

Стартовая масса двух вариантов аппаратов отличалась вдвое, и «геостационарный» вариант выходил почти в 200 кг — это уже не микроспутник. Два варианта запуска требуют двух разных двигательных установок, с разным запасом топлива. Ионные, плазменные двигатели не рассматривались из-за высокой стоимости, больших габаритов солнечных батарей и сложностей с управлением и навигацией. Двигатели рассматривались гидразиновые двухкомпонентные (гидразин/азотный тетраоксид), как наиболее эффективные из химических для применения в космосе.

В результате получался довольно сложный аппарат, вполне сравнимый с тем, что мог бы родиться в КБ государственных предприятий.

Несмотря на неоднократные эксперименты с лазерной связью в космосе, главным методом передачи информации в космонавтике остается радиосвязь. Различия в орбитах порождают еще одно отличие — в средствах передачи информации. Поэтому маленькие околоземные CubeSat могут спокойно передавать радиолюбителям на землю телеметрию и даже фотоснимки, имея совсем небольшую площадь солнечных батарей и всенаправленную антенну из столярной рулетки. Чем ближе аппарат к Земле, тем меньше его радиокомплекс, его энергопотребление и размер антенны.

Прием на Земле уже не получится обеспечить на проволоку из форточки — понадобятся серьезные станции антеннами диаметром несколько метров, а лучше несколько десятков метров. Если мы хотим работать у Луны и передавать большие объемы данных, то придется озаботиться остронаправленной антенной-тарелкой диаметром не менее полуметра и солнечными батареями площадью около метра. Очень мала вероятность, что нам выделят 64-х метровые или 32-метровые антенны. Таких станций в России — единицы, в мире — десятки, и все они заняты своей работой.

Сэкономить на наземных средствах можно увеличивая диаметр антенны на аппарате. По крайней мере полагаться на это нельзя. Потребности энергии увеличивают солнечные батареи, массу аккумуляторов, что приводит к увеличению массы и росту топливных баков — и так до бесконечности… Поэтому разработка космической техники — это вечный компромисс. Но каждые 10 см диаметра антенны или размаха солнечных батарей спутника существенно влияют на его массово-инерционные характеристики, требуют больше топлива, и расхода энергии на системы ориентации.

А лучше три, на разных континентах. С целью экономии массы мы ограничили диаметр антенны 40 сантиметрами, в надежде, что к моменту запуска на Земле найдем 12-метровую или еще больше принимающую антенну. Если не найдем, придется передавать данные с очень низкой скоростью: десятки килобит в секунду, зато прием будет доступен радиолюбителям.

Правильная ориентация

У Земли можно использовать магнитное поле, аэродинамику или другие приемы. Ориентация в пространстве — следующая проблема. Это электродвигатели с массивными колесами, которые, вращаясь, способствуют развороту аппарата в противоположную сторону. В межпланетном пространстве остаются ракетные двигатели, но есть еще одно средство, которое обеспечивает высокоточную ориентацию и позволяет эффективно управлять положением аппарата относительно центра его массы — двигатели маховики. Для ориентации по трем осям нужно три двигателя маховика, но обычно ставят четыре — один для резерва.

В какой-то момент маховик набирает максимальную скорость и становится бесполезен, тогда его надо «разгрузить», затормозить так, чтобы аппарат не потерял своей ориентации в пространстве. Двигателям-маховикам для работы требуется только электричество, но они действуют только когда набирают скорость вращения или когда ее гасят. Иногда ракетные двигатели системы ориентации используются газовые — на обычном сжатом газе, как тот самый огнетушитель из кино, есть и другие конструкции: термокаталитические или электроракетные (плазменные, ионные). Тогда-то для разгрузки и применяются ракетные двигатели, причем это должны быть двигатели с очень малой тягой, чтобы не вызвать сильного вращения аппарата.

С этой целью, на последней итерации проекта, решили отказаться от перелета с геостационарной орбиты, остановившись только на лунопереходной. Наш бессменный конструктор лунного микроспутника Петр Кудряшов задался целью максимального снижения массы аппарата. Двухкомпонентная маршевая двигательная установка имеет высокую мощность, и не подойдет для разгрузки маховиков, поэтому спутнику требовалась вторая двигательная система для ориентации. Еще одним решением стала замена двигателей. Петр нашел альтернативное решение — поставить монокомпонентные термокаталитические двигатели средней тяги. Это усложняло и утяжеляло проект. Такое решение кажется компромиссным, но есть и недостатки, которые еще предстоит как-то обходить. Четыре двигателя обеспечивают подходящую тягу для изменения орбитальной скорости, а разнесение их по сторонам позволяет ориентировать аппарат по тангажу и рысканью, вращение по крену контролируют два дополнительных двигателя низкой тяги.

Выбранные маховики, которые хорошо показывают себя на околоземных аппаратах нашего масштаба, оказались слишком слабы, чтобы компенсировать скорость вращения, задваемую ракетными двигателями в нашей схеме.

Сложности возникли при попытке «помирить» ракетные двигатели и двигатели-маховики.

Уменьшение плеча, т.е. Вращательный импульс ракетного двигателя по тангажу и рысканью можно сократить сместив двигатель ближе к центру, но тогда усиливается другая проблема. тяга ракетного двигателя непостоянна и зависит от давления в баке наддува. разницы между осью двигателя и центральной осью аппарата, приведет к тому, что каждая операция разгрузки двигателей-маховиков будет приводить к некоторому изменению орбиты спутника, причем изменение будет меняться, т.к.

Т.е. Главный фактор, влияющий на конструкцию космического аппарата, его габариты, мощность двигателей, размеры солнечных батарей — это полезная нагрузка. В нашем случае — это телескоп и фотосистема для съемки поверхности Луны. приборы, ради информации с которых осуществляется весь запуск. Вообще изменения положительные — телескоп удалось уменьшить, но изменение привело к существенному пересмотру конструкции, что снова потребовало времени. С ней тоже произошли изменения, которые повлияли на конструкцию аппарата, но это тема для отдельного разговора.

Про особенности съемки Луны стоит еще поговорить отдельно.

Надеюсь, вскоре предварительное проектирование лунного микроспутника будет завершено, и мы сможем поделиться обобщенными результатами трехлетней+ работы.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть