Scienty

Профессор Михаил Юрьевич Овчинников считает, что ближайшие годы станут периодом расцвета малых космических аппаратов. Сегодня они изучают Землю, околоземное пространство, планеты и астероиды, решают сложные научные задачи и способствуют развитию новых математических методов для разработки таких миссий. Если раньше в космос запускали преимущественно единичные спутники, то теперь его просторы совместно исследуют целые группировки: сотни и даже тысячи малых космических аппаратов. М.Ю. Овчинников рассказал корреспонденту портала «Научная Россия» о том, какими бывают эти аппараты и для чего их используют.

Михаил Юрьевич Овчинников — доктор физико-математических наук, заведующий отделом «Динамика космических систем» Института прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН, профессор кафедры математического моделирования и прикладной математики Московского физико-технического института, действительный член Международной академии астронавтики.

Почему появились малые космические аппараты и почему всё больше людей ими интересуются?

В 1970-х годах малыми космическими аппаратами уже располагали в мире и в нашей стране, хотя их было немного. Тогда их так не называли. Слово «малые космические аппараты» появилось позже. Многие ученые узнали об этом понятии в 1990-х годах на форумах Международной астронавтической федерации — одной из ведущих организаций по изучению и освоению космоса.

Небольшие космические корабли, разработанные в университетах, поначалу служили учебным оборудованием для студентов.

Финансирование космических проектов сократилось в 1990-х годах, что способствовало появлению класса таких аппаратов. В нашем распоряжении появились также ракеты, разработанные для мирных целей.

— Военного назначения…

Запуск в космос космических аппаратов на ракетах-перерождёнцах мог бы стоить дешевле обычных ракет. В США и СССР шёл процесс разоружения, конверсионные ракеты подлежали утилизации. Возникла идея о том, что после модернизации их можно использовать для запуска в космос спутников, но аппараты должны быть лёгкими. Новые достижения в области электроники позволили благодаря миниатюризации космических аппаратов осуществить эту идею. Нужда и возможности столкнулись, дав начало развитию перспективного направления космонавтики.

В начале 1990-х гг. французская компания AеrospatialeВпервые опробовали новый способ запуска: между последней ступенью ракеты-носителя и основным аппаратом разместили специальную шайбу, а на ней — шесть небольших космических аппаратов. 22 января 1990 года ракета-носитель… Ariane-4На орбиту на высоту около 790 километров были выведены шесть малогабаритных спутников: любительские из Америки. PACSAT и Webersat, аргентинский Lusat и бразильский Microsat-2 (каждый массой по 12 кг), а также английские UoSat-3 и UoSat-4(по 48 кг). Этим событием побудили к дальнейшему совершенствованию малогабаритных космических летательных аппаратов. Запуски такого рода стали именоваться… piggy-back (от англ. «нести на спине»).

— Что-то вроде попутки?

— Верно. В нашей стране доставку таким образом называют попутной, а в Соединенных Штатах… piggy-back. Упомянутая выше AеrospatialeВпервые была предложена условная классификация малых космических аппаратов: наноспутники весом до 10 килограмм, микроспутники — от 10 до 100 кг, мини-спутники — от 100 до 500 кг. small satellitesРазрабатывали такие небольшие космические аппараты преимущественно в университетах, так как частное производство подобных изделий тогда ещё не было широко развито.

Следуя данной классификации, можно ли также отнести к малому космическому аппарату первый искусственный спутник Земли («Спутник-1»)?

Конечно, поскольку масса составляла 80 килограммов. Впрочем, как вы догадываетесь, в 1957 году термина «малые космические аппараты» ещё не было.

Чем развивались после этого малоразмерные космические устройства?

В 1999 году профессор Боб Твиггс из Стэнфордского университета предложил для использования в космосе новый тип спутников — кубсаты, что стало новым толчком в их развитии. (CubeSat)Появились кубики объемом 1 литр и массой около 1 килограмма. Предполагалось, что студенты смогут собрать несложный и недорогой космический спутник в процессе обучения. Запуск такого аппарата, по словам Твиггса, обошелся бы даже на профессорскую зарплату. Друг Боба Твиггса, профессор Хорди Пуч-Суари из Калифорнийского политехнического государственного университета, предложил способ запуска подобных спутников в космос.

Ученые разработали особые приспособления — адаптеры. В эти адаптеры помещались кубики-кубсаты, а по мере необходимости пружинный механизм отсоединял их от заключительной ступени ракеты-носителя.

Всё ещё используют такой способ для запуска Кубсатов в космос?

Существуют различные способы, но этот остается самым востребованным. Важным фактором является то, что эти кубики можно соединять между собой, подобно конструктору. Первые кубсаты имели вид кубика размером 10 × 10 × 10 см, называемый кубсатом. 1UСейчас из этих начальных кубиков собирают спутники размером от… 24U.

Развитие малых космических аппаратов продолжилось появлением групповых космических полетов.

Крупные космические аппараты можно условно разделить на три категории. Первая группа — это созвездия. (constellations)Аппараты, работающие совместно для решения общей задачи, но управляемые по отдельности, составляют первую группу. Примером служат, например, навигационные спутники. (formation flying)Также выполняющие одну задачу и перемещающиеся в непосредственной близости — от 10 метров до 100 километров друг от друга. Третья, пожалуй, самая интересная группа — это рой космических аппаратов. (swarm)В таких системах управление децентрализовано, а каждый аппарат действует на основе данных о ближайших соседах. Число аппаратов в подобном рое может достигать сотен и тысяч.

Зачем запускать множество небольших спутников вместо одного большого космического корабля?

Нет однозначного ответа на вопрос о целесообразности.
Выбор зависит от поставленных задач. Для мелкомасштабной съемки Земли с разрешением в сантиметры нужна большая оптическая система, то есть дорогой и тяжелый аппарат. Такой аппарат будет надежным и проработает дольше, чем кубсаты. Строители его учтут высокую надежность, ведь потеря миллиардов долларов из-за поломки никому нежелательна. Другое дело — малые космические аппараты.

Когда в космос отправляется группа аппаратов, задача выполняется всей группой, а не каждым устройством по отдельности.

Авария одного из спутников не приведёт к значительным финансовым потерям и не повлияет на выполнение миссии. Вывести поломавшийся спутник с орбиты будет недорого, а его место займёт новый, усовершенствованный аппарат, запущенный с Земли. Технологии быстро развиваются, поэтому обновление роя принесёт только пользу миссии. В результате группировка спутников постоянно модернизируется и решает задачи всё более эффективно.

— Не создаст ли присутствие старых спутников в таком скоплении трудностей?

Миссия продолжится успешно даже если половина спутников новыми окажется, а остальные останутся старыми. Обеспечение работы аппаратов в таком случае представляет собой интересную математическую задачу.

Многие ли небольшие космических аппаратов способны работать за пределами околоземной орбиты, например, к Марсу, или даже подальше?

Главный плюс малогабаритных космических аппаратов — доступная стоимость запуска. 12U—кубсата CapstoneВ 2023 году миссия к Луне обошлась всего в 30 миллионов долларов. Недавно ученые нашего Института прикладной математики предложили промышленным партнёрам организовать миссию на Марс с помощью малого космического аппарата, весом 92 килограмма. При этом использовать один аппарат необязательно: спутники можно запускать группой для надежности – если один сломается в пути, до планеты назначения долетит другой.

— Какими задачами будут заниматься на Марсе?

Изучать состав атмосферы детально поможет ее просвечивание. (метод солнечного просвечивания. — Примеч. ред.)Для решения таких задач можно запустить два небольших спутника на разные орбиты. Эти аппараты, взаимодействуя друг с другом на определенных расстояниях, смогут выполнить задачу. Технологическую платформу можно использовать и для окололунных миссий, например для дистанционного зондирования Луны. Интересным направлением является симбиоз малых и больших космических аппаратов. Малые космические аппараты способны успешно решать научные задачи.

В чем причина малого количества межпланетных миссий с использованием кубсатов?

Главная трудность межпланетного полёта — быстро покинуть Землю и эффективно замедлиться при приближении к другой планете. У кубсатов есть особенности, обусловленные небольшой массой и недостаточной мощностью двигателей, которые препятствуют этому. Хорошо бы было лететь к Марсу, сбрасывая топливные баки, как описал К.Э. Циолковский, но конструкция кубсатов не позволяет этого. CapstoneКорабль, запущенный к Луне, двигался благодаря гравитации Солнца по так называемой обходной траектории. Несколько лет назад к Марсу были отправлены два американских. 6U-Кубсата. Нельзя считать их автономными, поскольку длительное время находились возле межпланетного космического аппарата. InSight и летели на расстоянии 10 тыс. км от него. Когда InSightСтартовав в направлении Марса, аппараты, находясь с противоположной стороны Красной планеты, передавали информацию на Землю, подобно ретрансляторам, после чего продолжили свой путь. Недостаток энергии не позволил им стать спутниками Марса: у них отсутствуют двигатели.

Для полёта на Марс предлагаем использовать микроаппарат с собственным движителем, вместо кубсата.

Мне кажется, что текущее десятилетие станет временем широкого применения малых космических аппаратов в межпланетных миссиях, а следующее — расцветом роев этих аппаратов. Возвращаясь к вашему вопросу: пусть сейчас межпланетных миссий с участием малых космических аппаратов не так много, все же они выполняют весьма интересные задачи, например, летают к астероидам. Для этого достаточно подлететь к астероиду с необходимой скоростью, без необходимости тормозить.

— Значит, не приземляются на астероид, а кружат над ним?

Можно летать рядом или садиться, но приземление на астероиды отличается от посадки на далекие планеты: для этого не нужно, как при посадке на Марс, брать большой запас топлива.

Возможно ли уменьшить продолжительность полета к планете, используя не оптимальную траекторию, а другое топливо?

Топливо имеет значение. Гептил, к примеру, эффективнее керосина, но представляет опасность.

Из-за ограничений текущих знаний и технологий переключение между видами топлива происходит неторопливо.

Об экологии и альтернативных видах топлива сейчас часто ведут беседы.

— Кое-чем, которое можно дозаправить прямо на Красной планете.

В научно-фантастических рассказах возможно заправляться топливом в любых точках мира, но в реальном мире это вызывает сомнения. Представьте, как организована бы эта процедура: необходим целый производственный комплекс! Кем управляется всё это?

— Илон Маск?

Возможно, это возможно осуществить в будущем, но весьма нескоро. Наверное, дозаправляться на других планетах будут уже наши потомки через множество поколений. Для освоения спутника или другой планеты необходимо пройти несколько этапов: построить там исследовательские базы, провести опытно-конструкторские работы и так далее. Все это может занять много времени.

Жду, что в этом направлении еще многое интересное ожидает нас.

Наука развивается быстро, технологии тоже не стоят на месте. Важно понимать: технология может быть запатентована, продана, засекречена, но это ещё не готовый продукт. Человек, покупающий товар в магазине, скажет: «Мне не нужна ваша технология, дайте мне готовую продукцию». Следовательно, технологию нужно интегрировать, использовать её возможности, что также требует времени. Задача учёного — понять, в какую идею стоит вкладываться, а в какую нет, потому что идей много, но какая из них станет успешной, предсказать невозможно.