Университет Вюрцбурга в Баварии некоторое время назад запустил интересную миссию группового полета наноспутников: четыре аппарата 3U CubeSat одновременно стартовали, заняли указанную высоту на уровне облаков, выстроились в тетраэдр и в таком полете замеряли атмосферные параметры.
Почему такие миссии крайне важны и каковы нюансы ключевых трендов в освоении космического пространства, таких как миниатюризация, предотвращение образования космического мусора и развитие распределенных космических систем, мы спросили у одного из ведущих российских экспертов в сфере управления спутниками Данила Иванова.
- что такое точки либрации и космические паруса
- как поднять в воздух рой наноспутников
- сколько весят пикоспутники
- где находятся deep space gateway
Начнём с того, что сегодня, как и шестьдесят лет назад, основные проблемы, связанные с реализацией космического полета, решает баллистика — и, как любая наука о движении, она прежде всего основана на физике и математике. Первая позволяет нам понять, какие силы действуют на космический аппарат во время полёта, вторая — с учётом этих знаний рассчитать его траекторию.
Основа динамики космических полётов, как и шестьдесят лет назад, — центральная гравитационная притягивающая сила. Она действует между двумя массивными телами и направлена по линии, соединяющей их центры масс. Эта центральная сила определяет основные типы траектории космического полёта: эллиптическую, параболическую и гиперболическую. Правда, на практике космические аппараты летают либо по эллиптическим, либо по гиперболическим траекториям — ведь чтобы лететь по параболе, нужно иметь нулевую суммарную энергию, а это недостижимо.
Притягивающая сила позволяет совершать так называемые гравитационные маневры во время межпланетных перелетов — то есть изменять траекторию космического аппарата, используя гравитацию небесных тел.
Представьте, что космический аппарат подлетает к притягивающей планете и попадает в её сферу действия. При этом гравитация планеты больше, чем гравитация всех остальных тел. Аппарат летит по гиперболической траектории и в ближайшей к притягивающему центру точке даёт небольшой импульс — это позволяет ему значительно увеличить скорость и даже получить к ней прибавку, которая обусловлена движением притягивающего центра относительно Солнца. То есть аппарат забирает кинетическую энергию у планеты, тем самым эффективно расходуя топливо. В основном все межпланетные миссии и сегодня строятся с использованием таких гравитационных маневров.
Не всё так просто, как хотелось бы. Вообразите себе, что аппарат движется под действием не одного притягивающего тела, а двух: допустим, Земли и Луны или Земли и Солнца. В таком случае для него возникают интересные положения. Например, точки либрации — в них сумма всех действующих на аппарат сил равна нулю. Таких точек в любой системе из двух массивных тел всего пять, их существование открыл в 1772 году французский математик Жозеф Луи Лагранж.
По сути, точки либрации — это места, в которых почти не работает гравитация. Они являются так называемыми положениями равновесия: если мы поместим туда аппарат с нулевой начальной скоростью, то он там и останется. Три из пяти точек либрации лежат на оси, образованной двумя притягивающими центрами, — они называются коллинеарными. Еще точки либрации могут образовывать с притягивающимися телами равносторонний треугольник, в котором сторона равна расстоянию между центрами массы. Так вот, в подвижной системе вроде Земля — Луна таких треугольников может быть два, соответственно, и точек либрации в таком положении две — их называют треугольными.
Интересно, что треугольные точки устойчивы: если мы немножко отклоним от точки аппарат, он останется в её окрестностях, — а коллинеарные неустойчивы: если мы немного промахнулись и начальная скорость аппарата ненулевая, он улетит.
Вокруг неустойчивых точек либрации можно двигаться по гало-орбитам — это вытянутые эллиптические необычные траектории. Сейчас международное сообщество, NASA, Европейское космическое агентство, Роскосмос и другие хотят именно на таких орбитах строить МКС для начала освоения Луны. Американцы вообще считают, что, если там будет станция, оттуда будет проще стартовать в сторону Марса, и называют это deep space gateway.
Под воздействием гравитации Земли спутники могут двигаться по самым разным орбитам, каждая из которых по тем или иным свойствам хороша. Самая известная — геостационарная орбита. Аппарат, по сути, зависает над точкой на экваторе, и период обращения спутника по такой орбите равен практически суткам.
Эта орбита очень привлекательна для систем связи и спутников дистанционного зондирования земли: если мы повесим со стороны нашего полушария спутник, он всегда будет в поле зрения наземных радиолокационных средств. Все спутниковые тарелки телевидения смотрят в сторону геостационарных спутников.
Ещё есть орбиты «Молния», очень интересные. Это эллиптические орбиты, но если смотреть на поверхность Земли, подспутниковая точка будет вычерчивать восьмерки — то есть всегда находиться где-то в окрестности той или иной долготы. Спутники на таких орбитах используются для радиопередачи, для снимков Земли и зондирования определенной части планеты.
Ещё есть солнечно-синхронные орбиты, которые очень привлекательны для дистанционного зондирования Земли. Это низкие орбиты, и тут особенно интересно следующее. За счёт того, что Земля немного сплюснута на полюсах, орбиты изменяются согласно возмущениям со стороны этой сплюснутости и прецессируют, то есть плоскость орбиты немножко меняется, она поворачивается. И для солнечно-синхронных орбит скорость этого поворота равна, по сути, годовому движению Земли относительно Солнца. То есть если мы запустим спутник на такую орбиту, он всегда будет пролетать над поверхностью Земли в одних и тех же условиях освещенности.
Безусловно, для того, чтобы управлять положением аппарата и изменять его орбиту, нужна реактивная тяга, которая реализуется с помощью бортового двигателя. Но сегодня это уже не единственный способ.
Например, сейчас набирают популярность так называемые космические паруса, где ускорение для изменения орбиты приобретается за счёт силы солнечного давления. То есть большой отражающий парус на космическом аппарате за счет изменения ориентации относительно солнечных лучей позволяет добиваться тяги, нужной для того, чтобы изменить орбиту. Но так как величина силы очень маленькая, нужно больше времени, чтобы это сделать, — зато такой способ совсем не требует топлива.
Законы физики космических полетов, естественно, не меняются со временем. А вот наши потребности и задачи на орбите — наоборот. Чтобы выполнять их эффективнее, человечество постоянно ищет новые подходы, и один из них — использование в миссиях распределённых космических систем. Как правило, это несколько космических аппаратов, которые объединены в единую систему и работают для достижения общей цели.
Можно разделить распределённые космические системы на несколько подклассов. Первый — это констелляции, «созвездия» спутников, когда спутники двигаются по похожим орбитам, но не взаимодействуют между собой, и каждый спутник управляется отдельно с Земли. Пример — система навигационных спутников GPS/ГЛОНАСС.
Второй — групповые полеты, когда расстояние между аппаратами маленькое и управлять ими с Земли сложно. Тут нужны именно автономные алгоритмы управления такими близко летящими спутниками. Собственно, я занимаюсь как раз такими алгоритмами.
Первоочередная задача — поддерживать небольшое относительное расстояние, потому что, исходя из динамики космического полета, если два спутника пассивно летят рядом, то со временем они просто разлетятся в разные стороны.
При этом между спутниками в распределенной космической системе возможны разные виды взаимодействия. Если есть два аппарата, то один из них может быть пассивным (как в случае уборки космического мусора) или оба могут быть активными: один как-то поворачивается или меняет орбиты, а второй подстраивается под первый.
Если аппаратов много, один из них может быть материнским, а остальные, дочерние, под него подстраиваются. Главный аппарат при этом может посылать команды всем дочерним, а может не посылать — дочерние сами будут отслеживать. Тут есть разные варианты.
Но представьте сотни таких аппаратов. Есть миссии, где их планируются тысячи — например, известная группировка спутников связи StarLink через 5 лет будет насчитывать до 42 тысяч спутников. Тут уже становится выгодно не иметь один главный аппарат, а сделать так, чтобы каждый спутник в системе был независим от остальных и принимал решения об управлении так же, как человек, идущий в толпе. Таким образом, есть два подхода: централизованный и децентрализованный.
Как работают современные спутниковые системы и кто ими управляет
Начнём с классификации малых космических аппаратов. К ним относят все аппараты, которые меньше 500 кг. Есть микроспутники, они меньше 100 кг. И ещё два десятилетия назад такой вес считался суперпрогрессивным, ранние аппараты весили по несколько тонн. Далее идут наноспутники — массой меньше 10 кг. Далее по уменьшению: пикоспутники — меньше 1 кг, фемптоспутники — меньше 100 г. Спутник формата ChipSat, например, весит меньше 10 г.
Самым популярным форматом наноспутников являются CubeSat, или кубсаты, — такие кубики размером 10×10×10 сантиметров. Можно объединить несколько кубов (или юнитов) в составе одного спутника. Так, спутник с двумя юнитами будет обозначаться 2U, с тремя — 3U и так далее. Говорят, бывают даже 12U, но это уже микроспутник, он будет весить больше 10 кг — считается, что один юнит весит около 1 кг.
Есть идея развития CubeSat, которая заключается в предложении выпускать стандартизованные по размерам спутники. Тогда мы сможем делать какие-то стандартные пусковые контейнеры, будем их устанавливать на ракетах-носителях и запускать в качестве дополнительной нагрузки. То есть ракета, запускающая многотонный спутник, будет облеплена контейнерами, которые запускают маленькие спутники — благодаря унификации их будет легко и достаточно дешево запускать. Эта идея получила сильное развитие, и сейчас CubeSat запускают практически все.
В России нет удобных пусковых контейнеров для запуска с МКС, так что космонавт во время работ в открытом космосе берет мешок с наноспутниками и начинает запускать их вручную.
Это очень плохо, потому что космонавт не может запустить спутник без придания ему начальной угловой закрутки. И первый спутник, который так запускали, имел огромную угловую скорость. Была, конечно, система успокоения этого вращения, но оно заняло месяц, а время жизни спутника было всего четыре месяца.А когда запускали «СириусСат» компании «Спутникс», к 1U CubeSat пришлось приделать ручку, чтобы космонавт смог его запустить — такие вот забавные российские реалии. Спутник в итоге полетел, а это самое главное для компании.
CubeSat очень популярны, у компании Planet labs чуть ли не 500 3U CubeSat с камерами, которые делают фото. Считается, что это самая большая констелляция. Это не групповые полеты, они управляются с Земли. И очень много университетов, особенно на Западе, делают какой-нибудь CubeSat, запускают его, и студенты отрабатывают свои идеи. Также их используют фирмы для научных и прикладных целей.
У NASA совместно со студентами была миссия PhoneSat, когда они внутрь CubeSat положили смартфон и использовали его бортовой компьютер, встроенные датчики и камеру.
Предполагается, что супермаленькие спутники типа ChipSat могут что-то измерять, слать информацию на CubeSat, а он уже будет сбрасывать информацию на Землю. ChipSat — это спутник на печатной плате с размером 3,5×3,5 см и весом около 10 г, несущий на себе практически все системы стандартного спутника. Была миссия KickSat в прошлом году, когда из CubeSat запустили 105 чипсатов, но они были пассивными и через некоторое время просто разлетелись.
Мы же хотим, чтобы чипсаты не разлетались по орбите, а летали как рой — по некоторым случайным, но ограниченным траекториям. Тогда можно будет измерять набор параметров в ограниченном объёме. Мы уже придумали, как это сделать с помощью электромагнитных катушек, которые всегда есть на аппаратах для гашения начальной угловой закрутки. Там интересные результаты получаются: спутники хаотично двигаются между собой, взаимодействуют, но в итоге создают ограниченные траектории.
Один космический аппарат, ровно как один робот или один человек, конечно, может что-то делать, но когда появляется множество единиц, которые взаимодействуют и решают какую-то общую задачу, мы получаем новое качество и новые способности. Со спутниками то же самое. Главная особенность распределённой космической системы в том, что если один элемент выйдет из строя, то в целом ничего не нарушится и работа продолжится: отряд не заметит потери бойца. Поэтому и на Земле в технических системах, и в космосе этот тренд явно отслеживается. Это будет отказоустойчивая система. Плюс можно построить распределённую систему измерений. Сейчас на орбите летает множество аппаратов, которые снимают поверхность Земли.
Есть такая компания Planet, раньше она называлась Planet labs. Они запускают небольшие оснащённые камерами спутники формата 3U CubeSat, которые сканируют поверхность Земли. За счёт того, что спутников много, они могут создать стереокартинку, иногда это важно. К тому же они сканируют с какой-то заданной частотой, нужной для решения определенных задач — например, для контроля за стройкой или экологической ситуацией. С одним аппаратом такого сделать невозможно. Он летит, снимает, повторяемость пролета над одной и той же точкой, зависит, конечно, от камеры и от орбиты, но она не такая высокая.
Также сейчас думают о сервисных работах на орбитах. Например, спутник сломался, нужно его починить — можно послать второй аппарат, чтобы это сделать, можно несколько аппаратов. Кто-то предлагает вообще собирать с помощью таких аппаратов космические станции.
Еще один пример группового полета — взаимодействие спутника с космическим мусором. Чтобы предотвратить столкновение мусора с космическими аппаратами, нужно убрать с орбиты хотя бы большие его части. Для этого нужно запустить аппарат, который схватит этот мусор и с помощью собственного двигателя направит его либо в сторону Земли, чтобы он сгорел в атмосфере, либо на так называемые орбиты захоронения, чтобы этот вопрос когда-нибудь решили наши потомки. Правда, реальных миссий, которые убрали бы хоть один космический обломок, еще не было. Но в прошлом году была миссия RemoveDebris, которая с собой принесла мусор и потом его с собой забрала — и всё.
Для научных исследований очень важно иметь несколько спутников, которые летают на небольших расстояниях друг от друга, — чтобы измерять трёхмерное распределение тех или иных параметров. Сейчас летает Magnetospheric Multiscale — американская миссия, в которой четыре спутника, которые измеряют, что происходит в хвосте магнитосферы Земли.
Институт ядерной физики МГУ хочет запустить три спутника на низкую околоземную орбиту. Есть интересное атмосферное явление из разряда гроз, которые бьют не в сторону Земли, а в сторону ионосферы, то есть от Земли. И эти эффекты еще недостаточно изучены. Интересно узнать, что там происходит и где это происходит.