Космос // Роман Жарких

Космическая электроника: как разрабатывают спутники в частной российской компании

Facebook
Twitter
Google+
Pinterest
Vkontakte
Odnoklassniki
441 0
Как обстоят дела в области разработки компонентов современных космических систем, почему в этой сфере появляются новые подходы и коммерческие компании, и каковы перспективы их существования?

Чем современная бортовая техника отличается от наземных аналогов? Какие факторы и ограничения нужно учитывать при ее разработке? Как эффективно использовать знания, накопленные поколениями инженеров в этой области? Чем можно пренебречь в определенных условиях, а что действительно может похоронить космический аппарат раньше времени?

А что, если попробовать самостоятельно построить автоматическую станцию приема сигналов? С минимальными затратами, из деталей с AliExpress — и так чтобы включить ее в общемировую радиолюбительскую сеть и принимать сигналы с других планет? 

Итак, начнем. Меня зовут Роман Жарких, я руковожу направлением наноспутников в частной российской космической компании «Спутникс», занимаюсь разработкой программно-аппаратной архитектуры космических платформ и проектированием бортовой электроники.

В 2019 году произошло относительно необычное событие — «Спутникс» выиграла конкурс на проектирование спутниковой платформы весом до 200 кг, которую можно будет использовать для дистанционного зондирования Земли, и в перспективе — для предоставления услуг космической связи и в научных целях. В этом же году другая частная компания — «КосмоКурс» — приняла участие в государственном конкурсе по созданию ракеты-носителя среднего класса на метане.

Как частные компании добиваются признания своего технического уровня и получают возможность участвовать в таких проектах? Каким образом им удается создавать космические системы без ресурсов и материальной базы, которыми обладают гиганты вроде РКК «Энергия» или РКС? И работает ли техника небольших предприятий в космосе? Давайте разбираться.

Что изменилось в области космической электроники?

Разработка космической техники ведется уже довольно давно и инженерные школы разных стран накопили богатый опыт и методики для того, чтобы спутники работали, а ракеты летали. Да, в первую очередь этот опыт был нажит в рамках государственных программ, научных институтов и в стенах крупных компаний. Но ситуация меняется: бюджеты на освоение космоса снижаются, параметры массовой электроники непрерывно улучшаются и вопрос «можно ли создавать спутники на ее базе?» становится всё более актуальным.

Эти возможности постепенно привели к возникновению небольших предприятий, которые за более скромные бюджеты и в сжатые сроки делают технику, раньше производимую только госкомпаниями. Она должна работать в непростых условиях, а без специальной компонентной базы это возможно только на определенных высотах орбит и непродолжительное время. Такие аппараты пока не могут летать в дальний космос и работать там по 10–15 лет, однако благодаря их доступности и возможности массового производства возник новый класс космической техники — COTS (Components off the shelf — апробированные и готовые к использованию серийные изделия). И если раньше вся техника разрабатывалась под конкретный аппарат, была уникальной и единичной, то суть нового подхода — использование максимально универсальных узлов.

Что именно частные компании делают по-другому?

Во-первых, небольшие компании проанализировали условия работы в рамках различных миссий в космосе. Очевидно, что на низкой околоземной орбите (до 600 км над Землей) и около Марса они разные, поэтому и к созданию техники для этих задач можно подходить по-разному. Однако до недавнего времени при разработке космических аппаратов серьезных «поблажек» для благоприятных орбит не делали. Хотя это — возможность избежать дорогостоящих мероприятий по излишней защите техники.

Во-вторых, мы внимательно изучаем опубликованный опыт отечественных и зарубежных коллег, чтобы избежать дорогостоящих ошибок или некоторых видов испытаний, ведь кроме разработки самой бортовой техники важно создание стендов для наземной отработки. Порой они стоят в разы дороже и создаются дольше целевой аппаратуры. Поэтому здесь небольшим компаниям тоже приходится «крутиться»: где-то дополнительно ограничивать применение самого борта, а иногда договариваться об использовании стендов совместно с корпорациями. Но многое создается самостоятельно — и тут открытость и новые технологии дают преимущества. Например, использование open-source проектов, невозможное в госкомпаниях, может радикально сократить сроки разработки. Arduino, Raspberry, Linux запросто находят применение в наших наземных стендах — лететь они никуда не должны, а сами представляют из себя очень мощные инструменты для скоростной разработки.

В итоге из-за упрощенной электронной и стендовой базы оказываются ограничены орбиты и сроки полета, но оставшийся сегмент назначений космических аппаратов всё равно значительный — это дистанционное зондирование Земли, связь, отработка технологий. И совокупная стоимость таких решений на порядок ниже, что делает их интересными.

Так, если появляется альтернатива традиционному подходу к разработке космической техники, то какие еще устоявшиеся представления могли также утратить актуальность?

Космическая техника — это невероятно дорого

Это действительно так, когда мы говорим об уникальных научных аппаратах на грани технических возможностей. А ведь зачастую высокая стоимость — следствие огромных накладных расходов крупных компаний. Однако новая индустрия изготовления типовых стандартизированных узлов и платформ — совсем другая история. Как правило, они выполняются небольшими коллективами из индустриальных комплектующих и пригодны для короткоживущих миссий на низких орбитах с рядом ограничений. Но важно то, что такая техника, оставаясь космической, обходится дешевле.

Например, для нас автомобиль сегодня — доступная, пусть и недешевая, техника. Но так было не всегда, да и сейчас есть уникальные, собираемые вручную экземпляры, стоимость которых также уникальна. Попросите продать вам «Ладу» за 1 млн рублей у дилера — не проблема, потому как это серийный экземпляр. А теперь попробуйте наложить ряд условий: углепластиковый кузов, разработанный с нуля уникальный двигатель, 8 колес и еще кран-манипулятор в багажнике. Думаю, производитель вряд ли согласится делать такой шедевр за ту же стоимость. Также и со спутниками — мы привыкли говорить об уникальных орбитальных и межпланетных кораблях для задач, которые никто раньше не выполнял.

Зачастую для такой техники надо начинать с разработки новых микросхем или исследования новых физических принципов. Но и в космической отрасли уже появились хорошо изученные задачи, доступные для более простой техники. Возможно, не уникальной и не выдающейся, если не брать в расчет стоимость и сроки, но способной стать недорогой «рабочей лошадкой» для «рутинных» космических задач.

Так, купить готовый космический аппарат за 1 млн рублей — уже реальность. Это можно сделать, например, на сайте «Спутникс». Запуск его в космос обойдется дороже, но, с учетом отлаженности этого процесса, полноценная космическая миссия может стоить на уровне стандартного грузовика-большегруза.

Обычная электроника не проработает в космосе и недели

Во-первых, космос большой и в разных областях разные условия — уровень и тип радиации, температурные режимы, структура магнитного поля. На орбитах вокруг Земли высотой до 600 км они наиболее выгодные, неспроста МКС летает именно по такой орбите. Пребывание на станции отдаленно сравнимо с работой человека на АЭС. Получаемая за 4 года доза радиации в 0,1 КРад не является губительной для индустриальных микросхем, многие из которых «выживают» и после получения 10 КРад.

С температурой на низких орбитах также неплохо. С одной стороны, от Солнца поступает 1300 Вт на м2, а космос вокруг охлажден до –270 °C, но, с другой стороны, вакуум — лучший теплоизолятор. Например, поверхность Земли имеет вполне комфортную температуру для нас, внутри хорошо спроектированного аппарата температура может составлять комфортные 0..+20 °C. Магнитное поле Земли на этих высотах также значительно упрощает работу инженерам.

Во-вторых, надо уточнить, что мы понимаем под «обычной» техникой. Она базируется на электронной компонентной базе (ЭКБ), которая делится на три группы — коммерческая, промышленная и автомобильная. Последняя способна работать при температурах от –40 до +125 °C, что неплохо. Да и в целом, современный автомобиль — очень надежная система, так не отличный ли кандидат для работы? Если собрать данные по его радиационной стойкости, прочности и поведению в вакууме, то можно лететь. А платы и софт, конечно, лучше сделать свои, со специальной схемотехникой и нужными интерфейсами — это недорого. На той же МКС успешно применяются обычные ноутбуки ThinkPad, которые работают по несколько лет. Конечно, им не доверяют всё управление, но они здорово помогают космонавтам.

Какие нагрузки испытывает техника при отправке в космос?

Основные нагрузки приходятся на первые 10–20 минут полета — выведение на орбиту. Для подготовки к такому путешествию устраивают механические испытания, где спутник получает солидную «встряску» с перегрузками до 10–12g, а иногда и больше. Наземные испытания, как правило, и являются самым жестким воздействием на спутник, ведь в реальном полете перегрузки значительно меньше. Так, на ракете «Союз-2» они на уровне 4g, для ракеты «Днепр» и того меньше — порядка 3g. Но даже 12g для современных технологий микроэлектроники не проблема: небольшая печатная плата переживает такие воздействия почти без модификаций, остается не оплошать с конструкцией и кабельной сетью. Да и летят спутники на ракете в выключеном состоянии, что снимает еще часть рисков.

Что первым ломается и как спутники заканчивают свое существование?

Если не брать в расчет топливо, то, в первую очередь, поломкам подвержена механика: двигатели-маховики, гиродины, поворотные механизмы. Все они имеют трущиеся детали и, несмотря на специальные материалы, рано или поздно трение увеличивается и механизм заклинивает.

Затем проблемы могут возникнуть с аккумулятором. Его ресурс ограничен химическими процессами, емкость постепенно сокращается. Летать только на солнечных батареях, которые деградируют не так быстро, можно, но они довольно капризны в плане выдаваемой мощности и не выдерживают больших скачков потребления.

Дальше на очереди — электроника. Я уже говорил, что микросхема не ломается от радиации сразу, но она накапливается. Упомянутые 10 КРад со временем будут превышены и, если не использовать специальные топологии чипов, это постепенно приведет к деградации транзисторов и элемент выйдет из строя. Зависит от конструкции, но, для примера, на орбите 800 км такая доза внутри аппарата накопится на микросхеме за несколько лет.

Отлетав в космосе положенный срок, аппарат неизбежно подходит к концу своей карьеры. Даже работающие аппараты зачастую выводят из действия следующими способами:

  • на геостационарной орбите действует правило: после выработки ресурса аппарат на остатках топлива должен быть переведен на так называемую «орбиту захоронения». Это группа орбит на 200 км выше ГСО, на которой он уже обречен болтаться вечно.
  • для аппаратов с ядерным реактором на низких орбитах «захоронение» происходит на высотах 650–1000 км, где они будут летать еще тысячи лет.
  • аппараты ниже 500 км сходят с орбиты самостоятельно, в основном под действием трения об атмосферу Земли, после чего сгорают в ней.

Ремонт же спутников оказался нерентабельным и эти попытки прекратились с последним полетом «Шаттлов». Хотя нельзя не благодарить астронавтов за возвращение в строй знаменитого телескопа «Хаббл», который без нескольких ремонтов так и не заработал бы на полную мощность. Сейчас вновь идет обсуждение идей орбитального ремонта, но уже автоматического, что на самом деле больше напоминает сервисное обслуживание — заправка топлива, замена АКБ — с уже не работающим аппаратом такой подход не поможет.

Так что, если спутник на орбите выше 600 км и уже не функционирует или не имеет двигателя, то ему суждено практически вечно бороздить просторы космоса и такие объекты формируют потенциально опасный космический мусор. Его количество может начать расти взрывными темпами, если элементы начнут сталкиваться, ведь скорость на орбите — более 8 км/с и столкновение двух объектов приводит к возникновению тысячи новых обломков.

Известный случай столкновения отработавшего спутника типа «Стрела-2М» и Iridium-33 породил более 600 крупных обломков. А попадание даже одного элемента более 1 см диаметром угрожает целостности, например, МКС. Для борьбы с космическим мусором предпринимают меры — запускают аппараты на более низкие орбиты, разрабатывают нормы по сведению с орбиты и средства сбора мусора, но это пока — дело будущего.

Так что же отличает в итоге космическую микроэлектронику?

Резюмируя всё описанное выше, она должна быть одновременно надежной, автономной, компактной и легкой, устойчивой к механическим нагрузкам, способной работать в вакууме и при различных температурах, а еще уметь «правильно» ломаться и разрушаться, самостоятельно диагностироваться и восстанавливаться, противостоять радиационной обстановке и так далее. С примерами всё не уместить в одной статье. Так же, впрочем, как и в одной лекции, но мы постарались.

Что еще почитать о космической электронике?

Что можно попробовать сделать самостоятельно?

Полететь космическим туристом всё еще маловероятно, но прикоснуться к орбитальной технике и технологиям сейчас можно и за 10 долларов, прикупив небольшой SDR-приемник на AliExpress.

А если у вас есть простенький 3D-принтер, ножовка и пара прямых рук, то можно и вовсе собрать автоматическую станцию слежения за спутниками с приемом и декодированием цифровых сигналов с них и подключить ее к общемировой радиолюбительской сети SatNOGS, которой пользуются не только радиолюбители, но и владельцы космических аппаратов, получая дополнительные ценные данных со своих спутников на центральном сервере.

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ