А.Зайцев специально 
для «Новостей космонавтики»

1 – антенна GPS; 2 – анализатор сигнала GPS; 3 – приемник; 4 – датчики горизонта; 5 – передатчик; 6 – антенна радиосистемы; 7 – аккумуляторы; 8 – инерционная система ориентации; 9 – штанга научной аппаратуры; 10 – системы ориентации; 11 – солнечные датчики

   По современной классификации, наноспутники – аппараты массой не более 10 кг. Несмотря на такой, казалось бы, малый вес, они представляют собой полнофункциональные устройства для измерений или наблюдений из космоса. Наш журнал уже публиковал информацию об успешно запущенных наноспутниках: это аппараты TUBSAT Технического университета в Берлине (НК №15/16, 1998), серия наноспутников американских университетов (НК №3, 2000), наноспутник SNAP-1 Суррейского университета (НК №8, 2000). Ввиду важности этого нового направления космонавтики, мы будем рассказывать о проектах наноспутников, готовящихся к реализации.
   В 1998 г. эксперты и аналитики Агентства новейших оборонных исследований МО США DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) совместно с головным НИИ ВВС США AFOSR (Air Force Office of Scientific Research) пришли к выводу о необходимости создания новых космических средств на основе последних достижений микроэлектроники. Специалисты считают, что в XXI веке многие задачи оборонного характера будут решаться с помощью кластеров микроспутников, каждый из которых будет представлять собой аппарат весом не более 100 кг и энергетикой не менее 1000 Вт. Так была сформирована TechSat21 – программа разработки следующего поколения микроспутников. Сейчас она активно развивается – совсем недавно было объявлено, что выбраны четыре фирмы, которые готовят предложения по созданию TechSat21. Каждая фирма получила по 10 млн $ для их разработки, срок работы – 12 месяцев. После этого этапа будет выбрано два лучших предложения, а для реализации будет профинансирован один проект. Финиш программы – 2006 год.
   Совместная программа ВВС США и университетской науки по наноспутникам (http://www.nanosat.usu.edu) рассматривается как способ поддержки программы TechSat21 в части проектирования, создания и проведения экспериментов с помощью наноспутников. Конечная цель экспериментов – исследовать возможности военного использования наноспутников. Прямая финансовая поддержка исполнителей очень скромная – 1 млн $ на три года. Но все фирмы, сотрудничающие с Минобороны, предоставляют бесплатно консультации, установки для испытаний и спонсорскую помощь в виде комплектующих типа солнечных батарей и других стандартных элементов КА.
   Из более сотни предложений было отобрано пять проектов, которые реализуются 10 ведущими университетами США. Напомним, что разработка микроспутников стала в них массовым явлением – насчитывается уже около ста заявленных проектов. 
   Для читателей НК эта информация представляет определенный интерес, поэтому мы решили рассказать об Университетской программе по наноспутникам AFOSR-DARPA более подробно.

   3^Sat

   Проект «3 спутника по углам» (Three Corners Satellites, 3^Sat) своей задачей имеет демонстрацию стереосъемки, межспутниковой связи типа сотовой телефонной связи и новой системы команд управления и сбора данных. Три идентичных спутника будут разработаны и изготовлены в кооперации трех университетов: Аризоны, Колорадо и Нью-Мексико. Задача эксперимента 3^Sat – получение стереоизображений при формировании облачных образований типа конвективных кучевых облаков размером менее 100 м и скоростями формирования менее 1 мин, атмосферных волн и песчаных/пылевых бурь. До сих пор получение таких данных было затруднено, а точное знание формы, толщины и высоты этих облаков очень важно, в первую очередь для обеспечения безопасности полетов самолетов.
   Для стереосъемки оптимальным является расстояние между спутниками до нескольких десятков километров, которое легко реализуется в течение 3–4 месяцев при групповом запуске. Для дальнейшего контроля положения спутников группа из Аризонского университета разрабатывает микродвигатель с использованием стандартной схемы: рабочее тело–окислитель.
   Каждый из трех идентичных спутников имеет на своем борту микропроцессор, который обеспечивает все функции спутника и межспутниковую связь. Линия связи реализуется с помощью коммерческой спутниковой системы связи Globalstar, с точки зрения которой каждый спутник фактически является простым сотовым телефоном. Это позволяет организовать работу всех трех спутников так же, как работу трех «персоналок» в локальной сети. Таким образом, управление всем экспериментом можно вести с любого из трех спутников. Отпадает необходимость в собственных радиосредствах спутниковой связи, и вся задача реализации программы спутникового эксперимента переносится на уровень проведения и обработки данных наблюдений, передаваемых по сети Интернет.
   Для удешевления и упрощения системы 3^Sat будут использованы опробованные технические решения. Подсистема ориентации спутников выполнена на основе гравитационных штанг (по две на каждом КА) и имеет точность ±5°. Положение и текущая ориентация определяются по GPS-приемнику и звездному датчику с углом зрения 15°. Солнечные батареи с ФЭП на арсениде галлия размещены на корпусе. Четыре CMOS-камеры, каждая с раскрывом 15°, образуют композитный кадр с углом обзора 54°. В этой стандартной конфигурации находится место и для дополнительного прибора от каждого университета – например, Университет Колорадо ставит фотометр.

   ION-F

   Проект ION-F имеет целью ионосферные наблюдения с помощью разнесенных спутников с малой базой. Головным является Университет штата Юта, участвуют также Университет штата Вашингтон и группа Вирджинский политехнический институт + Университет штата Вирджиния. Основная научная задача – измерение параметров ионосферы при спокойных и возмущенных условиях сразу из трех разнесенных точек. Тем самым удается получить очень высокое временное и пространственное разрешение. Для этого используются лэнгмюровский датчик и импедансный радиочастотный датчик для измерения электронной концентрации в ионосфере, а также измерения «мерцаний» амплитуды и фазы сигналов системы GPS, по которым определяют полную электронную концентрацию и вариации неоднородностей.
   В эксперименте ION-F ставится и технологическая задача – отработать маневрирование спутников на орбите. Два спутника будут иметь плазменные ДУ, и по командам с Земли будет реализовано маневрирование относительно третьего спутника. Группа из Университета штата Вашингтон разрабатывает микромодель импульсного плазменного микротрастера по аналогу с разработкой фирмы Primex. Трастер другого типа разрабатывается группой Университета штата Юта (прототипом выбран гидразиновый микродвигатель).
   Запуск спутников планируется с шаттла, что указывает на важность отработки маневров наноспутников на орбите в 360 км. Все остальные параметры спутников стандартные: питание от солнечных батарей, в качестве буферной батареи используются никель-кадмиевые аккумуляторы, как в портативных компьютерах.
   В магнитной системе ориентации вместо колечной системы будут использованы постоянные магниты. С помощью микродвигателей, разработанных по технологии микроэлектромеханических систем (МEMS, micro-electro-mechanical systems), положение магнитов будет меняться таким образом, чтобы обеспечить устойчивую ориентацию по магнитному полю Земли. В комбинации с датчиком Солнца и горизонта такая система обеспечит трехосную ориентацию с точностью до 2–3°. На спутнике без трастеров, разрабатываемом Вирджинским политехом, будет опробован гравитационный стабилизатор в виде длинной ленты. На спутнике установят видеокамеру, которая позволит заснять развертывание ленты и ее работу на орбите. Ввиду важности получения информации с орбиты, будут проведены эксперименты по межспутниковой связи, в том числе при передаче данных GPS-приемников, навигационных, орбитальных и т.п.
   Для связи между Землей и КА будет организовано два пункта: в Университете штата Юта и в Вирджинском политехе. Эти станции будут представлять собой серверы в Интернет, доступ к которым будут иметь все участники эксперимента. Идея использовать сотовую систему спутниковой связи Globalstar также не исключается, особенно ввиду необходимости гарантировать передачу данных телеметрии и управления спутниками почти в реальном времени. Два наземных пункта с такой задачей справиться не могут.

   Emerald

   Третий проект «Эмеральд» имеет целью разработку и испытания технологий управления движением спутников. Для этого предложено разработать два спутника командой специалистов Стэнфордского Университета и Университета Санта-Клара. Эксперимент планируется в несколько этапов. Первый – полет двух спутников как единого целого. На этом этапе проводится начальная проверка аппаратуры спутников. Второй – разделение спутников, при этом сохраняется их соединение с помощью троса или штанги. Второй этап позволяет отработать технику точного определения ориентации спутников, изменения орбиты за счет искусственного торможения специальными панелями и работы микротрастеров. Третий этап – обрезание соединительного троса (штанги). В середине троса находится устройство (по сути – микроспутник), позволяющее провести такую операцию в космосе. Это разделение даст возможность сохранить гравитационную ориентацию спутников.
   Центр по разработке микроспутников (http://www.ssdl.stanford.edu) в Стэнфорде известен своими разработками последние 10 лет и привлекает к спутниковым экспериментам другие лаборатории университета. В проекте «Эмеральд» научную задачу поставила лаборатория исследований ОНЧ-излучений. Научный эксперимент выглядит следующим образом: на каждом спутнике устанавливается ОНЧ-приемник в диапазоне 1–10 кГц, который измеряет электромагнитные сигналы, генерируемые грозами. Измерения на разнесенной паре приемников позволят оценить физические параметры источников и уточнить модели их генерации.
   Конструктив спутников «Эмеральд» повторяет опробованный конструктив SQUIRT и сделан так, что позволяет менять полезную нагрузку, не меняя общие размеры и технологические системы. Средняя электрическая мощность на борту – 7 Вт, питание – 5 В, линия телеметрии – 9600 бод. Система управления спутником построена на базе микропроцессора Motorola 68332 с радиационной защитой. Терморегулирование пассивное, с использованием тканевой термоизоляции.

   Constellation Pathfinder

   Проект «Первопроходец созвездий» (Constellation Pathfinder) является примером самого простого наноспутника, предназначенного для отработки технологических задач, возникших при постановке перспективного проекта NASA MMM (Magnetospheric Mapping Mission, http://mmm.gsfc.nasa.gov). Проект предложил доктор Харлан Спенс (Harlan Spence) из Университета Бостона, который является членом научного комитета проекта. Предлагается запустить в околоземное пространство на эллиптическую орбиту в несколько десятков радиусов Земли около сотни микроспутников. Они позволят получить детальную пространственно-временную картину возмущений космического пространства. Задача создать и запустить созвездие из сотни микроспутников с изменяемыми орбитами представляется непростой, для отработки некоторых технологических задач и предлагается использовать наноспутники.
   Constellation Pathfinder предлагается запустить с шаттла, что позволит обойтись самыми малыми затратами. Масса спутника составит всего 1 кг, однако он будет иметь все функции полноразмерного аппарата. Это хорошо видно на рисунке, где представлен общий вид наноспутника и его блок-схема. В эксперименте будет отработан простой и экономичный магнитометр, технология передачи данных с малой мощностью бортового передатчика и система приема и обработки данных с большого числа идентичных аппаратов.

   Солнечная вертушка

   Пятый проект ориентирован на реализацию известной идеи солнечного паруса: Solar Blade Heliogyro Nanosatellite, а попросту «Солнечная вертушка». За реализацию идеи берутся ученые и студенты из Университета Карнеги-Меллона. Они утверждают, что построить солнечный парус для спутника в несколько сотен килограммов при современных технологиях практически невозможно, а для наноспутника весом около 5 кг – вполне реальная задача. На рисунке представлен художественный образ такой солнечной вертушки: четыре лопасти, каждая длиной 20 м и шириной 3 м, из каптона толщиной 8 мкм образуют пропеллер, который обеспечивает тягу и ускорение аппарата под действием солнечного света. Управление лопастями, изменение их угла атаки и положения позволит проводить маневры на орбите.
   Ученые полагают, что наноспутник можно будет разогнать по спиральной орбите вплоть до орбиты Луны. Самое важное в этом эксперименте, кроме самого паруса, – оперативное управление спутником и слежение за его орбитальным положением. Поэтому спутник будет иметь весь набор приборов для определения орбитального положения. По краям основного конструктива будут размещены элементы солнечных батарей, расчетная мощность которых составит около 28 Вт.
Важный аспект всей программы – участие студентов в реальных космических экспериментах, «обучение на живых спутниках». Кроме Минобороны, эту программу поддерживает и NASA, которое добавляет 1.2 млн $ в виде дополнительных грантов. Разработки университетов должны быть закончены в первой половине 2001 г., с тем чтобы затем передать аппараты на тестирование и сертификацию военным, а в начале 2002 г. спутники пойдут на попутный запуск с шаттла. 
   Ведущие космические фирмы также активно поддерживают программу, так как им остро нужны свежие силы разработчиков космической техники. Неслучайно и другие ведущие американские университеты «повернулись лицом» к обучению по перспективным направлениям, имеющим приложения к космосу. Очевидно также, что создание и запуск наноспутников станут в ближайшее десятилетие одним из больших рынков по внедрению новых технологий в космические разработки.

   При написании статьи были использованы материалы, полученные автором лично от зарубежных коллег, а также по сети Интернет