Космос, доступный студентам: что могут спутники CubeSat и сколько стоят

CubeSat — миниатюрные и экономичные спутники, которые открыли космос для частных компаний и студентов. РБК Тренды разбираются, как они устроены, для чего используются и какие риски в себе несут

Откуда взялись CubeSat и сколько стоит их запуск

Однажды профессор Боб Твиггс из Стэнфордского университета поставил перед своими студентами коробку с плюшевой игрушкой Beanie Baby и сказал: «Ваша задача — сделать спутник, который сюда поместится». В далеком 1999 году никто и подумать не мог, что проект не просто выйдет за рамки учебной работы, а даст начало целой индустрии наноспутников под названием CubeSat. По данным Nanosats, к августу 2022 года на орбиту нашей планеты было выведено почти 2000 таких «кубиков».

Наноспутник — один из вариантов малых искусственных спутников Земли. Поскольку стоимость запуска в первую очередь зависит от веса, то и классифицируют их именно по нему. Предел для малых — 1 тонна, а вся категория выглядит вот так:

• мини-спутники — от 100 до 500 кг,
• микроспутники — от 10 до 100 кг,
• наноспутники — от 1 до 10 кг,
• пикоспутники — от 100 г до 1 кг,
• фемтоспутники — менее 100 г.

Успех CubeSat обеспечили унификация и стандартизация. Их размеры и вес строго ограничены: 10×10×11,35 см с лимитом в 1,33 кг. Это пределы для одного «кубика», который обозначается как 1U или один unit, то есть одна единица. Их можно объединять в группы по 2, 3, 6, 12 и 24 штуки: тогда получится массив на 2U, 3U и так далее. А в 2009 появился формат PocketQube. Это уменьшенный размер в 1/8 (5х5х5 см и 250 г) классического CubeSat, но их на орбите пока мало — всего несколько десятков.

Создавать CubeSat с нуля долго и дорого, однако в большинстве случаев это и не требуется. Обычно наноспутники собирают из готовых «запчастей», которые покупаются по отдельности или сразу в виде набора для сборки. Их стоимость варьируется в пределах от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч долларов, а цена компонентов готового CubeSat размером 1U обычно не превышает $100 000. Остается добавить еще $30 000 за килограмм веса на запуск, и можно начинать собственную космическую программу.

Конечно, для личных проектов это дороговато, но суммы абсолютно подъемные для университетов, исследовательских лабораторий и коммерческих компаний. В некоторых странах CubeSat стали первыми национальными спутниками. Например, в 2018 году свой собственный «куб» на ракете SpaceX Falcon 9 в космос отправил Бутан. Задачей проекта была демонстрация возможностей платформы, сбор данных с наземных датчиков и космическая съемка. Создание спутника, запуск и обучение специалистов обошлись правительству страны всего в $280 000.

Для сравнения, один только запуск мини-спутника, вес которого не превышает 200 кг, стоит в районе $1 млн, а его разработка и создание, в отличие от CubeSat, на который нужно 6–9 месяцев, может вестись годами. В итоге к моменту отправки в космос часто запускают большие аппараты с морально устаревшим оборудованием.

Что находится внутри CubeSat и для чего он нужен

Для создания корпуса CubeSat используют четыре вида алюминиевого сплава. Это нужно, чтобы и у спутников, и у ракеты-носителя, которая выводит их на орбиту, был одинаковый коэффициент теплового расширения. То есть, чтобы они одинаково увеличивались в объеме по мере нагрева при постоянном давлении. При этом добавляют еще и специальное покрытие, исключающее ситуацию холодной сварки, когда в условиях вакуума электроны из одного куска металла с чистой поверхностью переходят в другой, образуя общую кристаллическую решетку.

Фото: wikimedia

Внутри «кубика» обязательно находятся несколько микрокомпьютеров, которые осуществляют вычисления и контролируют работу всей остальной электроники. Задачи у спутника могут быть самые разные, но можно выделить четыре типа наиболее распространенных миссий.

• Испытание чего-либо в наиболее приближенных к реальности условиях перед применением в более сложных и дорогостоящих космических проектах. Например, обкатка техники для ведения съемки или изучение новых материалов.
• Научные исследования. Один из вариантов — сбор информации о магнитном поле планеты и его колебаниях для раннего обнаружения землетрясений. Эксперименты могут быть даже биологическими. В этом году NASA планирует отправить к Луне CubeSat со штаммами дрожжей для изучения воздействия радиации на живые организмы в рамках проекта BioSentinel.
• Образовательные проекты. Для студентов CubeSat — это уникальная возможность еще в учебном заведении проследить весь цикл создания беспилотного космического аппарата и принять участие в его разработке. Применение тут тоже в основном научное: фотосъемка, изучение атмосферы, климата, перемещения популяций животных и т. д.
• Коммерческие проекты. Информацию, которую позволяет получать выведенный на орбиту CubeSat, можно продавать. Например, фотографии полей из космоса заинтересуют фермеров, а снимки городов — тех, кто отвечает за их развитие. Именно фотосъемкой (а еще записью коротких видео) занимаются спутники SkySat компании Planet Labs, выполненные в форм-факторе CubeSat. Прямо сейчас вокруг Земли вращается 21 такой аппарат.

Разумеется, для передачи данных на Землю и получения команд, «кубику» требуется антенна. Главным ограничением обычно выступает доступная мощность: она не должна превышать 2 Вт. Связь работает в диапазонах VHF, UHF, F, S, C и X, и антенну обычно разворачивают уже после выхода на орбиту. Это может быть как простое проволочное решение, так и сложная надувная параболическая система.

Система электропитания в CubeSat чаще всего комбинированная. С одной стороны, это аккумуляторы, размеры и вес которых особенно сложно минимизировать. С другой стороны, средства их подзарядки, в роли которых чаще всего выступают солнечные панели. В большинстве случаев они жестко зафиксированы на гранях «кубика», но могут быть и разворачивающимися, что усложняет и удорожает конструкцию.

И, наконец, CubeSat должен каким-то образом менять положение в пространстве, чтобы, например, объектив установленной на него камеры был направлен в нужную точку. В этом помогают устройства вроде реактивного колеса. А за направленные движения отвечают системы тяги: они могут быть основаны на выпуске инертного газа и химических реакциях. Также встречаются электрические решения, но они требуют использования более емких батарей и более крупных солнечных панелей. Есть и вариант, который энергии не требует вообще, — раскладные солнечные паруса. Однако они должны быть крупными, а их еще нужно разложить после выхода на орбиту — отказоустойчивость снижается.

Подводные камни CubeSat: космический мусор и защита данных

Отправлять CubeSat в космос можно двумя способами. Во-первых, в качестве вторичной полезной нагрузки. Часто это называют «райдшером» (rideshare): оператор ракеты-носителя продает владельцам наноспутников небольшие места под спутники в несколько килограммов, которые еще и можно разделить с другими. Как раз такой подход и позволяет существенно снизить стоимость запуска. После выхода на нужную высоту спутники «отстреливаются» из специального устройства P-POD или более продвинутых аналогов. В процессе выхода на орбиту его прочный кейс защищает их от повреждений. Второй способ запуска «кубиков» — привезти их в виде обычного груза на МКС, а затем отправить в космос с помощью устройства запуска вроде NRCSD.

По данным Nanosats, резкий рост количества запусков наноспутников в год случился в 2012 году: оно начало исчисляться десятками. С 2017 года счет идет уже на сотни, а итоговое значение за 2021 год — 326 выводов на орбиту. Правда, тут учитываются не только полноразмерные CubeSat от 1U и больше, но и компактные версии 0,25U. Прогноз аналитиков площадки на 2023–2026: 300–400 запусков в год.

Наноспутников довольно много, поэтому нередко о них говорят как о «космическом мусоре», делая акцент на то, что студенческие проекты не стоят риска потери серьезных аппаратов и повышения вероятности возникновения синдрома Кесслера. Это теоретическая ситуация, когда полезных объектов и мусора на орбите планеты становится столько, что в какой-то момент столкновений становится критически много. Все начинает разлетаться на мелкие и крупные осколки в геометрической прогрессии, что делает ближний космос непригодным для использования.

По оценке Европейского космического агентства сейчас на околоземной орбите находится более 130 млн объектов размером до сантиметра, более 1 млн объектов размером от 1 до 10 см и 36,5 тыс. объектов размером более 10 см. Причем постоянно отслеживать траектории полета можно только у последних, а летают осколки с внушительной скоростью: около 28 000 км/ч.

Однако конкретно с CubeSat все не так страшно: до геостационарной орбиты в 36 000 км, на которой от спутника нельзя избавиться физически, им очень далеко. Лишь единицы «кубиков» поднимаются выше 700–800 км, а в большинстве случаев они работают на высоте от 400 до 600 км, и это одна из наименее «населенных» орбит. Здесь CubeSat работают от 1 до 25 лет, постепенно опускаясь к нижним слоям атмосферы, где сгорают во время торможения.

Реальные проблемы возникают в том случае, когда «кубики», особенно в составе больших группировок, отправляются на орбиты выше 700 километров. Этот вопрос действительно тревожит экспертов. Пока основное предложение — внедрение двигателей, которые уводят аппарат в конце срока службы в нижние слои атмосферы для уничтожения. Кстати, подходящее как раз для таких случаев решение недавно представили российские инженеры из МАИ. Тест в космосе запланирован на 2023 год.

Еще одна значимая проблема CubeSat связана с безопасностью. Переживать, что кто угодно из космоса может собирать чьи-то частные данные на Земле пока рано. Но с защитой от взлома у самих спутников дела обстоят далеко не так хорошо, как хотелось бы. Внедрение практик кибербезопасности, которые на Земле давно стали золотым стандартом индустрии, в любительских и полупрофессиональных космических проектах только начинается. Хотя официальных подтверждений взлома спутников не существует, теоретическая возможность такого сценария давно доказана экспериментами. Например, в апреле этого года с разрешения ВВС США группа энтузиастов взломала выведенный из эксплуатации спутник вещания, запущенный в 2005-м.

CubeSat в мире и в России

Подавляющее большинство когда-либо отправленных в космос наноспутников относится к США: в статистике Nanosats на август 2022 года это 1869 аппаратов с долей в 53,9%. Еще 25,6% — это европейские страны с 888 аппаратами. Следом идут Китай (2,9% и 100 спутников), Япония (2,8%, 96), Канада (2,1%, 72) и Россия (2%, 71). В то же время наша страна играет значимую роль в процессе запуска «кубиков»: нередко они отправляются на орбиту в качестве вторичной нагрузки российских ракет-носителей «Союз-2». Именно на одной из ее модификаций в августе этого года вместе с иранским спутником «Хайям» были запущены 16 отечественных CubeSat.

Самый заметный разработчик наноспутников на базе стандарта CubeSat в России — основанная в 2011 году компания «Спутникс». На ее счету уже 20 отправленных в космос «кубиков», половина которых взлетала как раз на упомянутом выше «Союзе-2» в августе. В ассортименте компании есть как конструкторы CubeSat на собственной платформе Orbicraft-Pro, так и отдельные компоненты.

Для запуска учебных наноспутников в России действует программа «УниверСат», в которой участвует несколько крупных вузов страны с сильными техническими факультетами. К осени 2020 года по ней на орбиту было выведено 7 спутников стандарта CubeSat, которые разрабатывались в МГУ, АмГУ, НГУ и МГТУ им. Баумана. В 2021 и 2022 годах два собственных «кубика» появились и у ВШЭ. Есть вероятность, что со временем новым драйвером индустрии станет и первая российская частная космическая компания SR Space, основатель которой планирует представить собственную ракету, способную нести полезную нагрузку, в 2024 году.

Запустить даже маленький космический аппарат довольно трудно не только из-за особенностей разработки и бюджетирования. Дело в том, что такого явления как «частный спутник» в мире не существует — они всегда принадлежат какой-либо стране. А статья II «Конвенции о международной ответственности за ущерб, причиненный космическими объектами» говорит, что «запускающее государство несет абсолютную ответственность за выплату компенсации за ущерб, причиненный его космическим объектом». Самый известный прецедент — падение частей советского 4300-килограммового военного спутника «Космос-954» на территорию трех провинций Канады в 1978 году. К счастью, установленный на нем ядерный реактор сгорел в атмосфере и пострадавших не было. После долгих переговоров руководство СССР согласилось оплатить половину от выставленного счета на 6 млн канадских долларов.

Россия тоже участвует в этом соглашении, поэтому для запуска даже «кубика» на 1U обязательно нужно получить разрешение правительства. Такие сложные формальности обычно берет на себя оператор запуска, в роли которого в РФ выступает «Главкосмос». После начала работы орбитальные характеристики своего аппарата требуется передать в «Роскосмос» для внесения в каталог. Для работы со связью тоже потребуется разрешение от соответствующих структур в зависимости от выбранного способа и частоты вещания.