Как запускается спутник на орбиту. Как запускают спутник. Как спутники запускаются на орбиту
Продолжаем наш цикл статей «Все обо всем». В этот раз поговорим о спутниках.
Не так давно спутники были экзотикой и сверх-секретными устройствами. В основном они использовались в военных целях, навигации и шпионаже. Теперь же они является неотъемлемой частью современной жизни. Мы может увидеть их в прогнозировании погоды, телевидении и даже в обычных телефонных звонках. Спутники также часто играют вспомогательную роль в некоторых областях:
- Некоторые газеты и журналы быстры потому, что они отправляют материалы на печать в разные типографии через спутники, чтобы ускорить локальную дистрибьюцию.
- Перед тем как передать сигнал по проводам пользователям кабельного телевидения, компании-провайдеры используют спутники для передачи сигнала.
- В последнее время небывалую популярность преобрели геолокационные возможности, предоставляемые системами GPS и ГЛОНАСС. С помощью них мы может быстрее и точнее добраться до необходимого месяца.
- Товары, которые мы покупаем, доставляются производителями поставщика более эффективно, благодаря логистики с использованием геолокации с помощью GPS и ГЛОНАСС.
- Радиомаяки с упавших самолетов и терпящих бедствие кораблей отправляют через спутник сигналы командам спасения.
Что такое Спутник?
Спутник в общем - это объект, которые вращается вокруг планеты по круговой или эллиптической орбите. Например, Луна - это природный естественный спутник Земли, однако существует еще много сделанных человеком (искусственных) спутников, которые как правило ближе к Земле.Путь по которому следует спутник называется орбитой. Самая далекая от Земли точка орбиты называется апогеем, ближайшая - перигеем.
Искусственные спутники не являются продуктами массового производства. Большинство спутников были специально произведены для выполнения предназначенных им функций. Исключение составляют спутники GPS/ГЛОНАСС (которых около 20 копий для каждой из систем) и спутники системы Iridium (которых больше 60 копий, они используются для передачи голосовой связт).
Существует также около 23 000 объектов, которые являются космическим мусором. Эти объекты имеют достаточный размер для того, чтобы улавливаться радаром. Они либо случайно оказались на орбите, либо исчерпали свою полезность. Точное число зависит от того, кто считает. Полезный груз, который попал на неправильную орбиту, спутники у которых сели батареи и также остатки разгонных блоков ракет - все это составляет космический мусор. Например, этот онлайн каталог спутников насчитывает около 26 000 объектов.
Хотя любой объект на орбите земли вообще-то можно назвать спутником, термин «спутник» обычно используется для описания полезного объекта размещенного на орбите для выполнения некоторых важных задач. Нам часто приходится слышать о погодных спутниках, спутниках связи и научных спутниках.
Чей спутник первым оказался на орбите Земли?
Вообще, самым первым спутником Земли по праву стоит считать Луну:)
Для нашей общей радости, первым искусственным спутником Земли был «Спутник 1», запущенный Советским Союзом 4 октября 1957 года. Ура, товарищи!
Однако, из-за существовавшей в то время строжайшей секретности, в свободном доступе нет фотографий того знаменитого запуска. Спутник-1 имел длину 23-дюйма (58 сантиметров), весил 184 фунта (83 килограмма) и имел форму металлического шара. Однако, для того времени это было важное достижение. Содержимое спутника по современным меркам кажется скудным:
- Термометр
- Батарея
- Радио передатчик - изменял тон своих звуков согласно показаниям термометра
- Азот - создавал давление внутри спутника
После 92 дней, гравитация сделала свое дело и Спутник-1 сгорел в атмосфере Земли. Тридцать дней спустя после запуска Спутник-1, собака Лайка совершила полет на полутонном спутнике с воздухом. Этот спутник сгорел в атмосфере в апреле 1958 года.
Спутник-1 это хороший пример того, каким простым может быть спутник. Как мы увидим дальше, современные спутники гораздо более сложными, но основная идея проста.
Как спутники запускают на орбиту?
Все современные спутники попадают на орбиту с помощью ракет. Некоторые доставлялись на орбиту в грузовом отсеке шаттлов. Возможность запуска спутников на орбиту имеют несколько стран и даже коммерческих компаний, и теперь нет ничего необычного в доставке на орбиту спутника весом несколько тонн.
Для большинства запланированных запусков, ракета как правило располагается вертикально вверх. Это позволяет ей пройти плотные слои атмосферы быстро и с минимальными затратами топлива.
После того, как ракета запущена вертикально вверх, система управления ракетой используется инерциальную систему наведения для управления соплами ракеты и наводит ее на расчетную траекторию. В большинстве случаев ракета направляется на восток, потому что сама Земля вращается на восток, что позволяет добавить ракете «бесплатное» ускорение. Сила такого «бесплатного» ускорения зависит от скорости вращения Земли в месте запуска. Самое большое ускорение - на экваторе, там где расстояние вокруг Земли наибольшее, а следственно и скорость вращения тоже.
Насколько велико ускорение при экваториальном запуске? Для грубой оценки мы можем вычислить длину экватора Земли путем умножения ее диаметра на число пи (3.141592654...). Диаметр земли примерно 12 753 километра. Умножая на пи получаем длину окружности около 40 065 километров. Для прохождения всей окружности в 24 часа точка на поверхности Земли должна двигаться со скоростью 1 669 км/ч. Запуск с Байконура в Казахстане не дает такого большого ускорения от вращения Земли. Скорость вращения Земли в районе Байконура около 1 134 км/ч, а в районе Плесецка вообще 760 км/ч. Таким образом запуск с экватора дает большее «бесплатное» ускорение. Вообще Земля имеет не совсем форму сферы - она приплюснута. Поэтому наша оценка Длины окружности Земли несколько неточна.
Но подождите, скажете Вы, если ракеты способы достигать скоростей в тысячи километров в час, то что даст небольшой прирост? Ответ состоит в том, что ракеты, вместе с топливом и полезным грузом, очень тяжелые. Например, ракета-носитель протон согласно данным википедии имеет стартовую массу 705 тонн. Для ускорения такой массы даже до 1 134 км/ч требуется огромное количество энергии, а следовательно и большой объем топлива. Поэтому запуск с экватора дает ощутимые выгоды.
Когда ракета достигает очень разреженного воздуха на высоте примерно 193 километра, система управления ракетой включает небольшие двигатели, достаточные для поворота ракеты в горизонтальное положение. Затем спутник отделяется от ракеты. Затем ракета снова включает двигатели для обеспечения некоторого разделения ракеты и спутника.
Инерциальный системы наведения
Ракета должна управляться очень точно для выведения спутника на требуемую орбиту, и ошибки в этом деле очень дорого стоят (вспомните неудачи Роскосмоса со спутниками ГЛОНАСС или зондом Фобос-Грунт, которые оказались не на той орбите, на какой следовало бы). Инерциальные системы наведения внутри ракет делают такое управление возможным. Такая система определяет точное положение ракеты и ее направления путем измерения ускорения ракеты с использованием гироскопов и акселерометров. Расположенные в кардановом подвесе , оси гироскопа всегда показывают в одном направлении. Кроме того, платформа гироскопов содержит акселерометры, которые измеряют ускорение в трех разных осях. Если системе управления известно первоначальное местоположение ракеты в момент запуск и ускорения в момент полета, она сможет рассчитать положение ракеты и ориентацию в пространстве.Орбитальная скорость и высота
Ракета должна разогнаться до скорости как минимум 40 320 км/ч (11.2 км/с) чтобы полностью выйти из Земной гравитации и отправиться в космос. Эта скорость называется второй космической скоростью и для разных небесных тел она разная.
Вторая космическая скорость земли куда больше, чем скорость требуемая для помещения спутников на орбиту. Спутникам не требуется выходить из гравитации Земли, им нужно балансировать относительно нее. Орбитальная скорость - это скорость требуемая для достижения равновесия между гравитационным притяжением и инерцией движения спутника. В среднем эта скорость составляет 27 359 км/ч на высоте примерно 242 километра. Без гравитации, инерция спутника будет выталкивать его в космос. Хотя даже если гравитация присутствует, то слишком большая скорость спутника выведет его с орбиты Земли в открытый космос. С другой стороны, если спутник будет двигаться медленно, то под действием гравитации он упадет обратно на Землю. Если спутник будет иметь определенную правильную скорость, то гравитации будет уравновешена инерцией спутника, сила тяжести Земли будет достаточна для того, чтобы спутник двигался по круговой или эллиптической орбите, а не улетел в космос по прямой линии.
Орбитальная скорость спутника зависит от того, на какой высоте последний находится. Чем ближе к Земли - тем больше требуемая скорость. На высоте 200 километров, требуемая орбитальная скорость составляет около 27 400 км/ч. Для поддержания орбиты в 35 786 км, спутник должен двигаться по орбите со скоростью около 11 300 км/ч. Такая орбитальная скорость позволит спутнику сделать один оборот вокруг Земли за 24 часа. Так как сама Земля вращается со скоростью 24 часа, спутник на высоте 35 786 км будет оставаться строго над одной и той же точкой на поверхности Земли. Такая орбита носит название «геостационарная». Геостационарные орбиты идеальны для погодных спутников и спутников связи.
Луна имеет «высоту» относительно Земли 384 400 километров, а ее орбитальная скорость составляет 3 700 км/ч. Она совершает полный оборот по своей орбите за 27.322 дня. Заметьте, что ее орбитальная скорость ниже, потому что она находится дальше искусственных спутников.
Вообщем, чем выше орбита, тем дольше спутник может находится на орбите. На низких высотах, спутник входит в слои атмосферы, которая создает трение. Трение отнимает часть энергии движения спутника, и он попадает в более плотные слои и, падая на Землю, сгорает в атмосфере. На больших высотах, где почти вакуум, трения не возникает и спутник может оставаться на орбите веками (возьмем Луну, например).
Спутники, как правило, сначала имеют эллиптическую орбиту. Наземные станции управления используют небольшие реактивные двигатели спутника для корректировки орбиты. Цель - сделать орбиту круговой настолько, насколько это возможно. Включение реактивного двигателя в апогее орбиты (наиболее удаленная точка), и приложение силы в направлении полета смещают перигей дальше от Земли. В результате орбита приближается по форме к круговой.
Продолжение следует…
И частные компании, и некоммерческие организации, и отдельные энтузиасты всё чаще собирают деньги на космические проекты через краудфандинговые платформы. Рассказываем о наиболее интересных идеях.
Увидеть следы «Аполлонов»
Вопрос, были ли американцы на Луне, волнует огромное число людей по всему миру. А уж россиян — особенно.
Четыре года назад известный популяризатор космонавтики, блогер Виталий Егоров предложил получить ответ на «проклятый» вопрос самым что ни на есть прямым способом — отправить на орбиту Луны спутник, который сфотографирует места посадки «Аполлонов». Всего их, напомним, было шесть, и в окрестностях должно сохраниться много следов астронавтов, оставленных ими артефактов (вплоть до луномобилей), да и просто мусора.
«Сейчас на орбиту чуть ли не каждый месяц запускают частные и студенческие спутники, — рассказал Виталий Егоров на недавней презентации проекта, проходившей в Музее космонавтики. — Мы решили замахнуться на что-нибудь посложнее. А это Луна. Как известно, общество волнуют два вопроса: существуют ли инопланетяне и были ли американцы на Луне. Я лично не сомневаюсь, что американцы на Луне были. С инопланетянами непонятно, но мы их отложили на потом, а пока решили сконцентрироваться на более реальной цели».
В октябре 2015 года Егоров объявил о сборе средств на постройку «народного» микроспутника. Тогда менее чем за три дня блогер со своей командой собрал свыше миллиона рублей. Первая версия космического аппарата была весьма скромной — с небольшим двигателем и солнечными батареями. Но затем, изучив все нюансы предстоящей миссии, участники проекта были вынуждены увеличить массу спутника, добавить ему полноценный жидкостный двигатель и мощную антенну. Зонд оснастят фотоаппаратурой, которая сделает очень чёткие снимки: каждый пиксель будет соответствовать 25 см поверхности Луны.
С 2015 года аппарат всячески упрощали, и нынешняя его версия — уже четвёртая. Но чтобы построить спутник, средств понадобится примерно в тысячу раз больше, чем было собрано с помощью краудфандинга. Участники рассчитывают на разные варианты финансирования — на частных спонсоров, рекламные контракты, а также на помощь со стороны общества, бизнеса и государства.
«Если сегодня к нам придёт потенциальный спонсор и подарит грузовик, наполненный деньгами, мы сможем подготовить аппарат и доставить его на Байконур или Восточный в ближайшие три года, — отметил Виталий Егоров. — Когда его запустят, будет зависеть от того, какие ракеты окажутся доступны. Но на этот запуск будут смотреть все, ведь людей, верящих в лунный заговор, хватает».
На что скидываются на Западе?
Первым космическим проектом англоязычной краудфандинговой платформы Kickstarter была предпринятая девять лет назад попытка запустить в атмосферу очень большой воздушный шар, чтобы сфотографировать Землю с высоты 40 км (это уже считается ближним космосом). Удалось собрать 296 долларов.
Наиболее шумной кампанией сбора средств на той же платформе стоит признать Arkyd-100. Это проект «космического телескопа для всех». О нём в 2013 году объявила фирма Planetary Resources, которая намеревалась заняться добычей полезных ископаемых на астероидах. В общей сложности было собрано более 1,5 млн долларов. Жертвователям обещали «космические селфи» на борту телескопа и съемку астрономических объектов по желанию. Однако в 2016 году было объявлено, что запуск телескопа не состоится. Деньги должны были вернуть.
10 фантастических снимков телескопа «Хаббл»
Ещё одна компания собирается отправить на Луну космический зонд, чтобы он просверлил скалы на её Южном полюсе. Уже привлечено более миллиона долларов. А некоммерческое «Планетарное общество» (Planetary Society) 10 лет собирало средства на миссию крошечного спутника с солнечным парусом LightSail. Цель проекта была проста — показать, что создание такого космического аппарата в принципе возможно. Его стоимость оценивалась в 1,8 млн долларов, и эти деньги, в конце концов, были собраны. 25 июня 2019 года солнечный парусник отправился на орбиту.
Среди других космических проектов, получивших финансирование от интернет-общественности, можно упомянуть SkyCube (сверхмалый спутник, «надувающий» блестящий воздушный шар, видимый с Земли), KickSat (на орбите он должен выпустить рой крохотных спутников размером с почтовую марку) и Plasma Jet Electric Thrusters (плазменный двигатель, который найдёт применение в космонавтике будущего).
...и на что — у нас?
В России тоже собирали деньги на запуск стратосферного зонда. Автор идеи — спасатель и фотограф Денис Ефремов . Сначала он вместе с другом отправил в стратосферу видеокамеру в честь юбилея полёта Юрия Гагарина . А затем объявил о сборе средств на запуск стратостата. Достигнув критического размера на большой высоте, этот шар должен лопнуть, а платформа с оборудованием — спуститься на парашюте.
«Моя цель — устроить детский научный фестиваль на базе крупной образовательной программы, — сообщал Денис Ефремов. — Ядро проекта — запуски в ближний космос на высоту до 40 км. Отправить что-то своё в космос, следить за полётом, искать место приземления и снова взять в руки то, что побывало „там“, — это чудо! Дети получают стимул интересоваться наукой. Они своими глазами видят и могут придумать сами, как применить знания на практике. И, наконец, запуск и поиски платформы на природе — это настоящее приключение, которое вытащит из соцсетей любого школьника!»
Проект стал успешным. Планировалось собрать 140 тыс. рублей, в итоге удалось привлечь 155 тыс.
В 2014 году группа энтузиастов создала сообщество «Твой сектор космоса», которое впервые на практике доказало, что в России любители космонавтики могут запустить на орбиту свой собственный космический аппарат. Им стал спутник «Маяк». Cредства собирали методом краудфандинга за две кампании, в 2014 и 2016 годах. Всего собрали около 2,5 млн рублей. Непосредственно на создание лётного экземпляра аппарата, его дублёра и их испытания ушло порядка 1 млн рублей.
«Мы показали, что можно придумать спутник вместе с друзьями, без огромных заводов и сложных лабораторий построить его и запустить в самый настоящий космос, — делится впечатлениями руководитель проекта Александр Шаенко , инженер и кандидат технических наук. — Идея была в том, чтобы создать яркий светящийся объект, видимый невооруженным глазом».
Было решено снабдить спутник солнечным отражателем в виде пирамиды из металлизированной плёнки, который после выхода на орбиту должен развернуться. «Маяк» должен был почти на месяц стать самой яркой мерцающей звездой на ночном небе. Аппарат запустили 14 июля 2017 года с космодрома «Байконур» и успешно вывели на орбиту одновременно с 72 другими спутниками. К сожалению, отражатель так и не раскрылся. Вместе с «Маяком» отказали ещё 9 спутников, запущенных на ракете-носителе.
Вторым проектом сообщества «Твой сектор космоса» стал фотобиореактор для выращивания микроскопических зелёных водорослей. Его назвали 435nm. В дальнейшем на основе созданной установки планируется построить космическую систему жизнеобеспечения и испытать её в орбитальном полёте.
«Россия наряду с другими странами участвует в марсианской гонке, и мы заинтересованы в том, чтобы наша страна вышла из неё победителем, — говорит Александр Шаенко. — Одна из важных частей проекта по освоению Красной планеты — разработка космических кораблей, а для них необходимы технологии жизнеобеспечения. Поэтому в нашем сообществе и зародился проект биореактора 435nm».
Сбор средств завершили в марте 2018, команде удалось привлечь 407 тыс. рублей. Был создан прототип, проведены его испытания. Примечательно, что технология найдёт применение не только в космосе, но и на Земле. Такие фотобиореакторы можно будет использовать для очистки стоков или воздуха, выработки сырья для биотоплива и других практических задач.
Про Дмитрия и его достижение написали несколько интернет-изданий, но радиолюбитель не успел подхватить «звездную болезнь». А вся эта шумиха в СМИ его больше расстраивает, чем радует: «Не герой я никакой, надоели уже, честно говоря». Тем не менее, его достижения по достоинству оценили в профильной организации и уже в ближайшее время Дмитрий может переехать в Москву на работу в ОАО «Российские космические системы».
- Дмитрий, давайте сразу начнем с опровержения или подтверждения слухов: было предложение от РКС?
Ох, не нравится мне эта тема, честно говоря. Я уже начитался и наслушался в свой адрес. То, что я сделал, могут сделать если не все, то многие. А из меня какого-то героя прям сделали. А я не такой. Объясню.
Во-первых не люблю огласки и чем меньше меня знают, тем лучше. Во-вторых, сделали прям такую сенсацию, мол, парень из такой-то деревни принял то и то (причем многие вообще не понимают, о чем речь) и что теперь теперь ему звонили и РКС. Чуть ли не сюжет для кино - провинциала заметили в Москве, и все стали счастливы.
То, чем я занимаюсь, делают люди по всей стране и даже миру. Позвонить могут любому из них. Просто мой случай получил огласку. Безусловно, фото, которое достал я, получить неопытному радиолюбителю было бы тяжело. Причина - в удаленности аппарата, в моем случае из-за удаления от полярного круга аппарат почти был у горизонта.
Я не спорю: у меня большой опыт в приёме, поиске, опознании и реанимировании аппаратов. И принять обычный снимок проблем не составляет. И кто знает о моих возможностях и опыте, тот просто посмеялся. Но от шумихи в Рунете появился определенный шлейф и на зарубежных сайтах. А я ведь сотрудничаю с разными университетами и частными организациями по всему миру и портить репутацию совсем не хочу. Почему именно портить? Потому что люди “в теме” понимают, что я ничего такого особенного не сделал, а шума - будто открыл новое небесное тело в Солнечной системе.
Вот, например, какие заслуги я действительно считаю важными: я опознал легендарный COSMOS 2499 , нашел аппарат WREN и еще парочку других, принимал сигналы с Фобос-Грунт, который так и не улетел, реанимировал аппарат COMPAS (на фото ниже).
На фоне этого получение фото с метеорологического спутника - пустяк.
Прим. авт.: Тут важно добавить, что Дмитрий много раз получал благодарности даже от руководителей государств. Например от президента Литвы, за то, что он стал одним из трех радиолюбителей, получивших сигнал от их первого спутника. Потом была благодарность от руководства Эстонии. Дмитрий не раз проводил сеанс связи с космонавтами на МКС, его личный позывной R4UAB.
Если опять же верить СМИ, то по профессии Вы системный администратор, а по призванию – радиолюбитель. Расскажите о своем детстве, получении образования и выборе профессии.
Я окончил Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева, факультет «Радиотехника». А любовь к радиотехнике мне привил дед. Помню, как он по вечерам паял микросхемы, я начал брать с него пример. Свою первую радиостанцию спаял в 12 лет. И очень гордился, что сделал сам. После её настройки услышал голоса радиолюбителей - больше
10 диапазонов. Поскольку лицензии не было, то мог только слушать голоса. Помню, какой испытывал восторг. Позже были куплены детские рации, мы с другом стали общаться с их помощью. И вот однажды к нам подключился кто-то третий.
С 17 лет я стал работать на заводе и на первую зарплату купил первую в жизни носимую радиостанцию. Получил лицензию, позывной, вышел в эфир и познакомился с рузаевским радиолюбителем.
Будучи консультантом кружка для детей «Юные кулибины», я наладил сотрудничество с наукоградом «Сколково» (компания «Даурия»). Рузаевские школьники-радиотехники собирают информацию о местонахождении морских и речных судов с трех космических спутников и отправляют ее в компанию для последующей обработки. Для детей – это бесценный опыт работы с радиоаппаратурой.
- А как так получилось, что работаете системным администратором?
А теперь подходим к самому интересному – что же Вы такого сложного сделали, что в российских космических системах обратили на Вас внимание?
Я ничего сложного не делал. Любой радиолюбитель, имеющий хоть какой-то опыт, сможет принять снимки с метеорологических спутников.
Если в этих Ваших действиях нет ничего сложного, давайте по шагам распишем порядок действий, чтобы любой желающий мог увидеть Землю из космоса или заглянуть в глубины космического пространства. К каким спутникам в принципе можно подключиться, а к каким нет?
Слово “подключаться” тут не подходит. Мы просто принимаем сигналы, которые идут со спутников, а потом с помощью специального ПО обрабатываем и получаем результат.
Начинающим я рекомендую самое простое оборудование: RTLSDR-приёмник и квадрифилярную антенну. Цена приёмника – 1000 рублей, а антенну можно собрать самому, хотя есть и “магазинные” варианты.
Для отслеживания спутников рекомендую программу Orbitron. А чтобы не запутаться в огромном количестве спутников, где 90% не работают, можете установить обновление с моего сервера , где я веду все рабочие и интересные аппараты.
Частоты работы спутников и их модуляция описана .
Программа для добавления частот в программу Orbitron находится .
Если вы приобрели такой приёмник, то нужно подключить его к программе Orbitron. Как это сделать можно прочитать .
Подключение необходимо для компенсации эффекта Доплера, так как спутник постоянно в движении, поэтому происходит сдвиг частоты.
- Итак, успех зависит от приемника и антенны. Расскажете подробнее про антенну - как собрать и как настроить?
Квадрифилярная спиральная антенна (КСА) является многоэлементной антенной системой, состоящей из нескольких излучателей. Эти излучатели могут быть соединены со схемой питания, которая формирует на входах элементарных излучателей возбуждающие напряжения с требуемыми амплитудами и фазами.
У КСА четыре элемента, каждый из них - спиральный проводник, который возбуждается от вывода полосковой схемы питания. В идеальном случае схема питания создаёт падающие волны с одинаковой амплитудой и со сдвигом фаз на 90 градусов.
Антенна состоит их двух рамок, повёрнутых одна относительно другой на 90 градусов по фазе. Отсюда круговая поляризация и, поскольку элемента два, то усиление 4-5 дБ в зависимости от отношения высота-ширина. А еще антенна изгибается по спирали, как бы наклоняясь, и диаграмма «выпучивается» вверх. На самом деле диаграмма направленности проволочной спиральной рамки распространяется в сторону меньшей петли по аналогии директор-рефлектор, в нашем случае вверх. Если изменить фазирование питания антенны, то диаграмма направленности будет такой же, но полусфера будет обращена вниз. В результате имеем антенну очень подходящую для спутниковой связи Диаграмма её – полусфера, направленная вверх. Крутить не надо, поляризация круговая, да еще и усиление 4 дБ. И полоса пропускания в УКВ-диапазоне очень даже приличная.
Диаграмма направленности квадрифилярной антенны и её усиление:
Общий вид
Настройка антенны сводится к растяжению/сжатию рамок и образки элементов по 2 мм. Правильно собранная антенна почти не нуждается в настройке. Вот несколько советов советов по настройку. Настройку следует производить только на крыше (не в помещении). Основа установки антенны - это диэлектрик. Расстояние до металлических предметов желательно сделать не менее 3 метров.
Обозначения:
TC - луженая медь
FPE - физически вспененный полиэтилен
PVC - поливинилхлорид
DF - двухсторонняя алюминиевая фольга на лавсановой основе
График затухания RG-58 A/U:
Книга «Простая наука»
Пользуясь случаем, напоминаю, что не так давно вышла четвертая книга серии «Простая наука» и научный набор к ней.
Если вышедший в открытый космос член экипажа МКС прихватил с собой небольшой ящичек, а потом выкинул его в пространство, то это вовсе не значит, что на станции проходит генеральная уборка. Скорее всего, в свой орбитальный путь отправился очень маленький спутник. Запуск наноспутников стал в наши дни если и не дешевым, то уже относительно доступным удовольствием, а к освоению космоса подключились студенты и даже любители конструкторов« сделай сам».
Олег Макаров
Большой серьезный спутник, например из тех, что обслуживают систему GPS, весит полторы-две тонны, а стоимость его изготовления и вывода на орбиту превышает $100 млн. Порядок цен космический, и тут уж ничего не поделаешь — даже килограмм глины, отправленный в космос, станет почти без преувеличения золотым. Но если этих килограммов чего бы то ни было не так много, то запуск космического аппарата может стать куда более бюджетным мероприятием.
Первый в мире искусственный спутник Земли хоть и не содержал в себе ничего, кроме радиопередатчика, весил солидные 83,6 кг. С тех пор электроника шагнула вперед, на порядки миниатюризировалась, и вот уже спутники, весящие от нескольких килограммов до нескольких граммов, могут, как оказывается, быть вполне функциональными. Как только это выяснилось, освоение космоса перестало быть исключительной прерогативой государственных ведомств и огромных ракетно-космических корпораций: наступило время студенческого и любительского спутникостроения, вместе с которым мало-помалу поднимается вторая волна космической романтики. И Россию эта волна также не обошла стороной.
CubeSat (Спутник-кубик) — наноспутник, разработанный Политехническим университетом штата Калифорния и Стэнфордским университетом специально для студенческих и любительских экспериментов в космосе. Его размеры 10 x 10 x 10 см, а вес — 1.3 кг. В наши дни комплект для сборки наноспутника можно купить в магазине.
Нашли друг друга
Можно ли было себе представить лет 20−40 назад, что создание орбитального космического аппарата станет темой студенческой работы? Сегодня студенты кафедры конструирования электронно-вычислительных средств Юго-Западного государственного университета (Курск) создают аппаратуру для отправки на орбиту. «Мы не единственный университет в России, в стенах которого разрабатываются спутники, — рассказывает начальник Центра разработки малых космических аппаратов доцент Валерьян Пиккиев. — Есть аппараты, сделанные в МГТУ им. Баумана, МГУ, Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, однако это все-таки уже серьезные профессиональные работы, в которых задействован весь научный потенциал наших ведущих вузов. У нас же и оборудование, и эксперименты, которые будут проводиться с помощью этой аппаратуры, — все придумывают сами студенты».
Кафедра конструирования электронно-вычислительных средств ЮЗГУ была создана в 1965 году и занималась разработкой различной электроники для отечественных предприятий, в том числе приборов военного назначения. Среди них были и вакуумметры — аппараты для измерения концентрации частиц в разреженных средах. Эти устройства вызвали интерес со стороны предприятий ракетно-космической отрасли — НПО им. Лавочкина и РКК «Энергия».
Полет в старом костюме
К этому моменту «Энергия» уже имела свою собственную программу создания и запуска малых спутников. «Все началось 15 лет назад, — рассказывает ведущий специалист РКК «Энергия» Сергей Самбуров. — В 1997 году космонавт Валерий Поляков предложил отметить 40-летний юбилей первого спутника запуском его уменьшенной копии. Предложение было принято, причем в создании аппарата принимали участие (пусть символическое) школьники из Кабардино-Балкарии и французского Реюньона. Спутник не только внешне походил на свой прообраз, но и воспроизводил его «начинку», включая передатчик сигнала «бип-бип-бип». Разумеется, для этого аппарата отдельного носителя не использовали — его доставили кораблем «Прогресс» на орбитальную станцию «Мир», а там во время планового выхода в космос «забросили» в космическое пространство».
Запуск уменьшенной копии первого ИСЗ вызвал настоящий ажиотаж среди радиолюбителей во всем мире, особенно среди тех, кто с ностальгией вспоминал молодость и радиосигнал спутника 1957 года. Тему было решено продолжить, и на следующий год был запущен еще один радиолюбительский спутник, который транслировал в эфир песни и обращался к аудитории планеты Земля на разных языках. Технология запуска спутников с борта орбитальных станций совершенствовалась, и в 2002 году РКК «Энергия» совместно с Институтом космических исследований отправила на орбиту небольшой аппарат «Колибри» с научной аппаратурой. Запускали его так: при отстыковке «Прогресса» от МКС его люк оставался незадраенным. Внутри корабля был установлен контейнер, который при пережигании пиропатроном удерживающего шнура буквально выстреливал спутником.
А в 2006 году РКК «Энергия» совместно с представителями американской радиолюбительской корпорации AMSAT дали жизнь одному из самых оригинальных проектов в истории освоения космоса. Новый радиолюбительский спутник было решено сделать на основе отслужившего свое скафандра «Орлан-М», который использовался как платформа для монтажа доставленной на МКС аппаратуры. Научного оборудования на спутнике «Радиоскаф-1» (он же SuitSat-1) не было — только антенны (установленные на шлеме), радиостанция, блок «дигитолкер» для трансляции звуковых программ, два фотоаппарата (цифровой и пленочный) и аккумулятор. Интересно, что штатный аккумулятор от скафандра не подошел — он рассчитан на небольшое количество циклов зарядки-разрядки, а спутник, испытывающий на орбите перепады температур от минус 100 до плюс 100 градусов Цельсия, израсходовал бы ресурс такого устройства очень быстро. Тем более что «Радиоскаф-1» не имел солнечных батарей и полагался только на ресурс аккумулятора. В феврале космонавт МКС Валерий Токарев, выйдя в открытый космос, оттолкнул от себя старый скафандр с новой начинкой, и спутник отправился в двухнедельную миссию.
Скаф и шкаф
Несмотря на всю экзотичность проекта, скафандр оказался весьма интересной платформой для малых спутников. Во‑первых, его не надо доставлять на МКС, так как он уже туда доставлен. Во‑вторых, продолговатая форма открывает возможности пассивной стабилизации за счет неравномерного распределения груза (более тяжелая часть всегда будет «тяготеть» к Земле, и спутник не будет вращаться вокруг своей оси). Наконец, в скафандре есть баллон, в котором может содержаться кислород или другой газ под давлением в 100 атм. Это можно использовать для развертывания надувных элементов спутника.
Однако пока в РКК «Энергия» зрел план «Радиоскафа-2» — снова на базе скафандра, случилась неувязка. Очередной старый скафандр, на котором хотели смонтировать спутник, пришлось выкинуть с МКС, не дожидаясь готовности аппаратуры для второго спутника: уж очень место в дефиците. «Ждать еще пять лет, пока состарится новый скафандр, пришедший на замену старому, мы не могли, — говорит Сергей Самбуров. — Поэтому, как мы шутим, пришлось вместо «Радиоскафа» сделать «Радиошкаф», то есть конструкцию в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами 500 x 500 x 300 мм. Проект приурочили к полувековому юбилею полета Гагарина, а сам аппарат получил имя «Кедр» в честь позывного первого космонавта планеты». Было у него и еще одно имя — ARISSat-1, по названию международной ассоциации радиолюбителей, работающих со спутниками, которые запущены с борта МКС. Спутник делали в международном сотрудничестве, но также впервые активное участие в его создании приняла кафедра конструирования электронно-вычислительных систем ЮЗГУ, которая стала полноправным партнером проекта «Радиоскаф» в 2010 году. Здесь и пригодилось научное оборудование, сконструированное курскими студентами, — те самые вакуумметры. Конечно же, создатели «Кедра» не забыли о радиолюбителях, для которых была предусмотрена трансляция сообщений на разных языках мира. Спутник отправили на орбиту с МКС 3 августа 2011 года, и он успешно выполнил свою миссию, в частности, произведя замеры плотности частиц в безвоздушном пространстве на орбитах разных высот.
Наноспутник над Андами
«Мы продолжаем работы по программе «Радиоскаф» в сотрудничестве с РКК «Энергия», которая частично финансирует нашу деятельность и берет на себя запуск студенческих и радиолюбительских аппаратов в рамках собственных программ экспериментов, — рассказывает Валерьян Пиккиев. — Очередной спутник — «Часки-1» — мы делаем совместно со студентами Технического университета из Перу. Это будет спутник в популярном в мире наноформате CubeSat (куб со сторонами 10 см, вес 1,3 кг). Научной аппаратуры на аппарате не будет, однако мы намерены испытать специально сконструированные рамки, дающие возможность пассивной стабилизации спутника по линиям магнитного поля Земли. Кроме того, на «Часки-1» установят камеры с невысоким разрешением. Они позволят делать фото земной поверхности (две камеры в видимом спектре, две инфракрасные), изображение с них окажется доступным радиолюбителям. Будем также отрабатывать командную линию на частоте 144, 430 МГц. Все это позволит нам уже в следующем совместном спутнике запускать научную аппаратуру — в частности, новое поколение наших вакуумметров, которые способны теперь регистрировать не только концентрацию частиц, но и определять их природу».
Куда кидать — вот в чем вопрос
Конечно, наноспутники можно запускать по‑разному. Есть вариант помещения кассеты со спутниками между второй и третьей ступенями ракеты, выводящей на орбиту, скажем, тяжелый спутник связи. Разрабатываются концепции двухступенчатого запуска «самолет-ракета», наподобие проекта LauncherOne компании Virgin Galactic. Однако пока существует МКС, она будет представлять собой, пожалуй, самую надежную платформу для подобных запусков, и с этой целью ею пользуются как российские космонавты, так и астронавты США и Японии. Однако и здесь человеческий фактор можно минимизировать.
История российского студенческого и радиолюбительского спутникостроения началась в 1996 году, когда по инициативе космонавта Валерия Полякова с борта станции «Мир» была запущена уменьшенная копия первого в мире ИСЗ. Полет вызвал большой интерес радиолюбителей во всем мире.
«Сейчас в рамках нашей программы мы делаем пушку для запуска маленьких спутников, — говорит Сергей Самбуров. — Это будет коробка размером с обувную, а внутри разместится пружина, которая по команде в нужный момент вытолкнет спутник. А это не так просто на самом деле, поскольку аппарат надо запустить в правильном направлении, придав ему при этом вращение. Если просто бросить спутник в сторону от станции, то по законам баллистики он к станции и вернется. Надо кидать по вектору движения или против вектора, но по вектору нельзя, потому что тогда спутник поднимется на более высокую орбиту и будет над станцией летать, а если станция орбиту скорректирует, может произойти столкновение. Вероятность небольшая, но она есть. Надо кидать против вектора, и тогда аппарат уходит под станцию, а затем обгоняет ее и уже никогда с ней не столкнется». Техника запуска спутника вручную достаточно сложна, и еще на Земле космонавты отрабатывают ее на тренировках в гидробассейне. Если же будет создано автоматическое устройство отстреливания спутников, то экипажу нужно будет сделать ровно две вещи: вытащить устройство наружу, в космос, а потом, по возвращении на станцию, дать команду на пуск.
Полезно и безопасно
Сегодня в РКК «Энергия» создано специальное подразделение, занимающееся малыми космическими аппаратами. Главная задача его деятельности — образовательная. «Студенты, которые еще во время обучения приняли участие в создании космических аппаратов, придут к нам специалистами с опытом практического конструирования. Для нас это очень важно, — говорит Сергей Самбуров. — Кроме того, не надо думать, что малые спутники годятся только для обучения и хобби. На них можно отрабатывать технологии движения и маневрирования, системы стабилизации, работу новых приборов для вполне серьезных задач. А при сравнительно невысокой стоимости этих аппаратов ниже и цена ошибки, которая в противном случае может сгубить большой и дорогостоящий спутник или зонд».
Остается лишь последний вопрос: не станет ли общемировое увлечение наноспутниками еще одним фактором загрязнения околоземного пространства — ведь космического мусора на орбитах и так достаточно. «Тут не о чем беспокоиться, — объясняет Валерьян Пиккиев. — Любительские спутники не относятся к орбитальным долгожителям. С высоты МКС (примерно 400 км) наши спутники летят к плотным слоям атмосферы всего полгода. Кроме того, мы изготавливаем их из таких материалов, которые легко сгорают от трения об воздух, так что ни одно из наших детищ никому и никогда на голову не обрушится.