В статье представлен краткий обзор перспектив развития и применение малых космических аппаратов (МКА).
Ключевые слова: малый космический аппарат, МКА, кубсат, дистанционное зондирование Земли,космический аппарат, КА, Роскосмос,микроспутник.
The article presents a brief overview of the prospects for the development and application of small spacecraft (MCA).
Keywords: small spacecraft, MCA, kubsat, remote sensing of the Earth, spacecraft, spacecraft, Roscosmos, microsatellite.
Важнейшим и перспективным направлением развития космической технологии является развитие и создание малых космических аппаратов (МКА).
Основные преимуществ МКА — небольшие габариты, малая стоимость, возможность запуска нескольких аппаратов МКА, что существенно снижает время и затраты по выполнению космического проекта. МКА незаменимы при проведении научных экспериментов, отработке новых инженерно-технических решений, и в задачах, в которых требуется оперативность.
В рамках недостаточного финансирования, выгоднее вывести на орбиту вместо одного большого космического аппарата (КА) группу малых космических спутников, для реализации поставленных задач, эффективность их работы при этом ничуть не меньше.
Общая мировая тенденция к миниатюризации технических систем КА привела к увеличению популярности малых космических аппаратов (МКА), для использования их в научных и прикладных целях.
Общие характеристики малых космических аппаратов (МКА)
В 90-х годах 20 века европейская ракетно-космическая фирма «Arianespace» одна из первых предложила термин «малый космический аппарат» и впервые разместила в ракета-носителе (РП) несколько спутников меньшего размера предложив свою классификацию спутников по массе: пико — менее 1 кг, нано — в среднем до 10 кг, микро в среднем до100 кг, малые — в среднем до 1000 кг. Часто выделяют отдельный стандарт CubeSat (кубсат), который предложил Р. Твиггс, профессор Стэндфордского университета (шт. Калифорния, США). [2], размеры кубсатов в его стандарте меняются кратно: кубсат 1U (англ. unit) — это кубик 10х10х10 см, 2U — это уже два кубика (10х10х20 см), 3U — кубик с размерами 10х10х30 см.
На ряду с этим выделяют ряд признаков характерных для Малых космических аппаратов: относительно небольшой размер, малый вес и объем, преимущественно конверсионный запуск или попутный запуск, сравнительно невысокая стоимость в пределах от несколько тысяч до нескольких миллионов долл. [6].
Для уменьшения стоимости вывода спутников класса МКА на орбиту используют конверсионные носители или систему попутных запусков что сокращает время подготовки и выполнения запуска и дает возможность запуска спутника на орбиту разной степени наклонения. При этом для работ по проектированию и разработки МКА, приходится применять новые инновации и технологические требования, новые конструкторские решения, как к запуску и эксплуатации, так и к управлению и передачи данных через наземные комплексы управления и т. д. Отказ от жестких требований по приемке в эксплуатацию МКА позволяет привлечь немало малых компаний по всему миру в проектировании, создание и использование малых спутников.
Принято выделять два основных направления, по которым идет дальнейшее развитие МК.
Первое направление называют (условно) «университетское» лучше всего характеризируется девизом — «Лучше, быстрее, дешевле», впервые озвученным в американской программе разработки и создания МКА «NASA X2000». Как правило это направление имеет цель обучение специалистов через их участие в практической работе. Пример таких зарубежных университетов, которые вовлекают студентов в разработку малых спутников: Университет графства Сюррей; Стэндфордский университет; Технический университет Берлина — Центр космических технологий и микрогравитации Бременского университета; Университет штата Юта; Университет Санта Клара; Университет Рима; Массачусетский технологический институт; Университет Токио [1]
В России можно отметить совместный проект Самарского государственного аэрокосмического университета во взаимодействии с АО РКЦ “Прогресс” спутника АИСТ — 1 и -2 с размером 47x56x48см и массой 39кг. И проект Томского государственного университета, и его спутник «Томск-ТПУ-120» формата 3U 10х10х30 см с массой 4, 65 кг посвященный 120-летию университета. [2]
Второе направление условно называют «промышленное» и как правило его разрабатывают космическими фирмами с целью создания высокотехнологических аппаратом что часто не способствуют удешевлению самого спутника, так как уменьшение размеров увеличивает трудоемкость изготовления снижая лишь затрат на материалы. Значительная экономия достигается здесь в процессе его вывода на орбиту так как значительно уменьшается массы МКА спутников.
Основные направления применение и п ерспективы развития МАК
К возможным направлениям целевого использования МКА следует отнести:
– научные космические исследования;
– дистанционное зондирование Земли с помощью оптико-электронных бортовых комплексов разных пространственных разрешений;
– космическая связь, вещание (в составе низкоорбитальных космических систем связи и передачи данных);
– гелиогеофизическое и гидрометеорологическое обеспечение;
– орбитальное обслуживание — в части дистанционного мониторинга состояния КА;
– подготовка молодых специалистов для ракетно-космической отрасли;
– другие виды деятельности.
Наряду с этим в мире перспективными направлениями применения КС на основе МКА относятся:
– глобальный мониторинг в реальном времени движения судов и самолётов всех стран
– мониторинг опасных объектов;
– отработка новых технологий;
– обзорная съёмка заданных районов с высокой периодичностью в интересах экологического и сельскохозяйственного мониторинга, контроля чрезвычайных ситуаций и др.;
– глобальный мониторинг радиотехнической обстановки;
– связь и передача данных;
– геофизические исследования;
Примером использования МАК в научных исследованиях может являться такая научная задача как исследования магнитосферы и ионосферы Земли в частности, томографические измерения мелкомасштабных вариаций ионосферы, применяемая при изучении полярных сияний, где масштаб исследования колеблется в пределах нескольких квадратных километром. Что связано с новыми практическими задачами: улучшение качественной спутниковой навигации в полярных регионах России. Так же нано-спутники (кубсаты) применяются для решения узких научных задач, таких как исследование химического состава ионосферы на высотах от 100 до 300км., исследование высыпания радиационных поясов, радиопросвечивание и ряд других. [7].
Примером использования нано-спутников для исследования плотности верхних слоев атмосферы Земли может служить МКА «ANDE-2» (Atmospheric Neutral Density Experiment) [8].
Объем и перспективы рынка малых космических аппаратов (МКА)
Малые спутники насчитывает примерно 6893 аппаратов что составляет составляют 87 % всех космических аппаратов, запущенных за последние 10 лет, и 95 % из тех, что были запущенных в 2022 году. [3] На МКА приходится большая доля, поскольку операторы отказываются от крупных и дорогостоящих геостационарных спутников связи. При этом небольшие спутники позволяют им создавать большие группировки, обеспечивающие такие же услуги связи и дистанционного зондирования Земли.
Прогнозируется, что рынок МКА будет удерживать роста в среднем около 8 % в год в прогнозируемый период (2022–2027 гг.). По отчетам на 2021 год регион Северная Америка имеет самую большую долю рынка микроспутников, так США запустили более 50 % мировых микроспутников. На сегодняшний день рынок нано- и микроспутников сильно сегментирован, поскольку на основной части рынка доминируют несколько основных лидеров, к примеру, таких как Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL), Planet Labs, Inc., Spire Global, Inc. SSTL [4]
В России так же разрабатываются микро и наноспутники, в частности специалисты НПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» разработали линейку небольших спутников, в частности первый отечественный 50-кг микроспутник «АИСТ» [5]
Всего за 2022 год в мире было произведено запусков 2413 спутников, из них — МКА — 95 %. Лидеры по запускам МКА это Starlink и OneWeb — 1736 МКА, на долю остальных компаний приходится всего 568.
Наибольшую долю МКА в 2022 году составили спутники связи. К примеру, в 2013 году доля спутников связи среди всех МКА составляла 0 %, в 2019 году 32 %, в 2022 — уже 75 %.
Продолжается увеличение доли МКА на коммерческих основе. В 2013 году их было всего 14 аппаратов, в 2022 году — уже2090, коммерческие компании полностью монополизировали весь вектор МКА, практически вытеснив государственные организации. Доминирующим коммерческим спутниковый оператор по состоянию на 2022 года является — SpaceX с МКА Starlink, который запустил в общей сложности 3570 аппаратов за всё время, втором место занимает — Planet — 529 аппаратов и третий место принадлежит OneWeb -509 аппаратов.
От коммерческих организаций сильно отстают государственные корпорации. Так, у NASA в период с 2013 по 2022 года запущено только 67 МКА гражданского назначения, у Госкорпорации «Роскосмос» — всего 11 МКА.
Развертывание большого числа МКА сокращает среднюю массу космического аппарата. Если в 2013 году средняя масса спутника (любого размера) составляла 1652 кг, то в 2022 году — лишь 411 кг.
Так же весьма интересна динамика изменения количества МКА на орбите (в процентах) в сравнении 2013 и 2022 гг... В 2013 году из всех МКА на орбите 42 % приходилось на США, и 37 % — на Россию. В 2022 году картина изменилась: доля США составляет — 87 % и всего 1 % на Россию. [3]
Заключение
Факторы изменений в космической деятельности на сегодняшний день это ускоряющаяся коммерциализация космической деятельности. Сегодня она охватывает, в основном, деятельность на низких околоземных орбитах в рамках обеспечения основ для долгосрочной конкурентоспособности на долгосрочную перспективу.
Государство выступает для бизнеса значимым заказчиком и источником ресурсов развития в выполнении государственных функций включая решение задач в обеспечение связи, навигации, дистанционного зондирования Земли в различных диапазонах, предоставление интернет-услуг.
Развитие частной космонавтики позволяет снять с государств нагрузку по созданию универсальных космических инфраструктур это позволяет сосредоточить ограниченные ресурсы государств на решение действительно крупномасштабных задач в области исследования Космоса.
Несомненно, эта тенденция будет лишь нарастать, по мере становления рынков глобального интернета развития технологий вне зависимости от социально-экономических особенностей той или иной страны, о чём говорят примеры США и Китая, государство проводит целенаправленную политику поддержки новых частных космических компаний, используя механизмы государственно-частного партнерства. Эти процессы обусловлены не только намерением стимулировать предпринимательскую активность, но и стремлением использовать потенциал и предпринимательскую инициативу для решения государственных задач, сегодня она охватывает, в основном, деятельность на низких околоземных орбитах. В отдаленной перспективе можно ожидать распространение коммерческой деятельности на добычу полезных ископаемых в космосе, развитие космической энергетики и отдельных видов производств, разработка специализированных программных продуктов, используемых для программного обеспечения для проектирования и просчёта миссий малых КА. Программы и методики проведения наземной экспериментальной отработки для малых КА:
– применение аддитивных технологий для 3Д-печати ракетных двигателей в том числе силовых элементов конструкции;
– создание компактного разгонного блока относительно небольшой массы для разведения по орбитам малых КА;
– создание двигателей малой тяги для поддержания орбиты малых КА;
– создание отказоустойчивой системы энергоснабжения для малых КА, адаптированной к неблагоприятным факторам космического полета;
– создание и практическая отработка цифровых полезных нагрузок для коммуникационных КА;
– развитие ключевых рынков: космических транспортных систем, прежде всего, ракет-носителей легкого класса и легких орбитальных буксиров; малых космических аппаратов и их компонентов, и программного обеспечения; рынков услуг, включая телекоммуникационные и услуги дистанционного зондирования Земли.
Реализация результатов исследования будет способствовать максимально эффективному формированию российского сектора в том числе и частной космонавтики.
Литература:
- M. Yu. Ovchinnikov, Russian Launch Opportunities for Small Satellites, Acta Astronautica, March 1998, V.43, Issue 11–12, pp.623–629.
- Гансвинд И. Н. Малые космические аппараты в дистанционном зондировании Земли. Журнал «Исследование земли из космоса», 2019, № 5, с. 82–88
- «Отчет о развитии рынка малых спутников Smallsats@- https://brycetech.com/reports
- «Рынок нано- и микроспутников — рост, тенденции, влияние COVID-19 прогноз (2023–2028 гг». — https://www.mordorintelligence.com/ru/industry-reports/nano-and-micro-satellite-market
- «Технологический прогноз. Рынок наноспутников вырастет в 2,7 раза к 2019 году» — https://iee.org.ua/ru/prognoz/4289/
- Абламейко С. В. Малые космические аппараты: пособие для студентов факультетов радиофизики и компьют. технологий, мех.-мат. и геогр. / С. В. Абламейко, В. А. Саечников, А. А. Спиридонов. — Минск: БГУ, 2012, — 159 с.
- Петрукович А. А. Основные направления применения малых космических аппаратов для научных исследований. Журнал «Экономическая стратегия» № 4/2018, с.74–76
- Интернет-журнал «ВКО» — http://www.vko.ru/oruzhie/bolshie-vozmozhnosti-pri-malyh-razmerah
