Кубсаты, созвездия, рои: для чего нужны малые космические аппараты? Интервью с профессором Михаилом Овчинниковым

Ближайшие годы станут расцветом малых космических аппаратов, считает профессор Михаил Юрьевич Овчинников. Сегодня они исследуют Землю и околоземное пространство, планеты и астероиды, решают сложные научные задачи и способствуют развитию новых математических методов для разработки таких миссий. И если раньше в космос запускали в основном единичные спутники, то теперь его просторы совместно бороздят целые группировки: сотни и даже тысячи малых космических аппаратов. О том, какими они бывают и для чего нужны, М.Ю. Овчинников рассказал корреспонденту портала «Научная Россия».

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

— Чем обусловлены появление малых космических аппаратов и их возрастающая популярность?

— Малые космические аппараты существовали в мире (и в нашей стране тоже) еще в 1970-х гг., правда, в небольшом количестве, но тогда их никто так не называл, это пришло позднее. Многие ученые впервые узнали о малых космических аппаратах в 1990-е гг. на форумах, организуемых Международной астронавтической федерацией — одной из главных в мире организаций в области исследования и освоения космоса. 

Малые космические аппараты родом из университетов и изначально создавались как инструменты для обучения студентов.

Немалую роль в появлении класса таких аппаратов сыграло сокращение финансирования космических проектов, наблюдавшееся в мире в 1990-е гг. Кроме того, в нашем арсенале появились конверсионные ракеты.

— Военного назначения...

— Да, и стоимость запуска космических аппаратов на них могла стать ниже в сравнении с обычными ракетами. В США и СССР в это время вовсю шел процесс разоружения, и конверсионные ракеты подлежали утилизации. Тогда-то и родилась идея о том, что на них после определенной модернизации можно запускать в космос спутники, но такие космические аппараты обязательно должны быть легкими. В то же время появились и новые достижения в области электроники, позволившие за счет миниатюризации космических аппаратов (она, как видите, затронула не только наши персональные компьютеры) осуществить эту идею. Таким образом, нужда и возможности встретились друг с другом, что дало начало развитию столь перспективного направления космонавтики.

В начале 1990-х гг. французская компания Aеrospatiale впервые опробовала новый способ запуска: между последней ступенью ракеты-носителя и основным аппаратом они разместили специальную шайбу, а на ней — шесть небольших космических аппаратов. В итоге 22 января 1990 г. ракета-носитель Ariane-4 вывела на орбиту высотой около 790 км шесть малых спутников: радиолюбительские американские 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). Это событие дало стимул к дальнейшему развитию малых космических аппаратов. Такие запуски получили название piggy-back (от англ. «нести на спине»).

— Что-то вроде попутки?

— Именно. Только попуткой такой способ доставки называют в нашей стране, а в США это piggy-back. Упомянутая выше Aеrospatiale также впервые ввела весьма условную классификацию малых космических аппаратов: те, что весом до 10 кг, — наноспутники, от 10 до 100 кг — микроспутники, от 100 до 500 — мини-спутники. А все вместе это small satellites, или малые космические спутники. Такие малые космические аппараты, как правило, разрабатывались в университетах, потому что частный выпуск таких изделий в то время еще не был развит.

— Исходя из этой классификации первый искусственный спутник Земли («Спутник-1») тоже можно считать малым космическим аппаратом?

— Конечно, ведь его вес составлял 80 кг. Но, как вы понимаете, в 1957 г. самого термина «малые космические аппараты» еще не существовало.

— А что происходило дальше? Как совершенствовались малые космические аппараты?

— Новым толчком в их развитии стал 1999 г., когда профессор Боб Твиггс из Стэнфордского университета предложил использовать в космосе новый тип спутников — кубсаты (CubeSat), имеющие форму куба объемом 1 л и небольшую массу около 1 кг. Идея состояла в том, чтобы дать возможность студентам самим собрать в период обучения несложный и недорогой космический спутник. На его запуск, как говорил мне сам Твиггс, хватило бы и профессорской зарплаты. Один из коллег Боба Твиггса, профессор Хорди Пуч-Суари из Калифорнийского политехнического государственного университета, в свою очередь придумал, как именно можно запустить такие спутники в космос.

Ученые создали специальные «коробки» — адаптеры, в которые вкладывались кубики (сами кубсаты) и в нужный момент с помощью пружинного толкателя отделялись от последней ступени ракеты-носителя.

— Кубсаты по-прежнему отправляют в космос таким способом?

 — Есть разные способы, но этот по-прежнему остается самым популярным. Важно еще и то, что эти кубики можно совмещать друг с другом, как конструктор. И если первые кубсаты имели вид кубика с габаритами 10 × 10 × 10 см, так называемый кубсат 1U, то сейчас из этих базовых кубиков уже собирают спутники формата вплоть до 24U.

Следующей вехой в развитии малых космических аппаратов стало появление групповых космических полетов.

Такие малые космические аппараты можно разделить на три большие группы. Первая — это созвездия (constellations), решающие совместную задачу, но каждый из аппаратов при этом управляется индивидуально. К ним можно отнести, например, навигационные спутники. Вторая группа — это формации (formation flying), также решающие единую задачу и летящие рядом на расстоянии от 10 м до 100 км друг от друга, что довольно близко. И третью, пожалуй, самую интересную группу составляет рой космических аппаратов (swarm), где уже нет централизованного управления и полет каждого аппарата зависит от той информации, которую он имеет о своих соседях. Количество спутников в таком рое может исчисляться сотнями и тысячами.

— Почему эффективнее использовать целый рой спутников, а не запустить один большой космический аппарат?

— Здесь нет однозначного ответа. Целесообразность зависит от того, какие задачи вы перед собой ставите. Если это детальная съемка Земли с разрешением до сантиметров, то для этого действительно требуется большая оптическая система, то есть дорогой и тяжелый космический аппарат, который, будучи очень надежным, проработает намного дольше, чем те же кубсаты. Такая высокая надежность будет изначально закладываться при его создании, ведь потерять миллиард долларов в случае поломки никому, конечно, не хочется. Другое дело — малые космические аппараты.

Если в космос летит рой, то именно он, а не каждый аппарат по отдельности будет решать поставленную задачу.

Если же какой-то из спутников выйдет из строя, финансовые потери будут невелики и на успешности миссии это тоже не скажется. Вывод поломавшегося спутника с орбиты будет стоить недорого, а его место в рое потом сможет занять новый, усовершенствованный аппарат, вновь отправленный с Земли. Технологии стремительно меняются, и такое обновление роя пойдет только на пользу миссии. Таким образом, группировка спутников будет постоянно обновляться и решать свои задачи с большей эффективностью.

— А тот факт, что старые спутники при этом также будут находиться в рое, не станет проблемой?

— Нет, миссия успешно будет продолжена даже при условии, что половина спутников будут новыми, а другие — старыми. Кстати, обеспечить работу аппаратов при таком сценарии — очень интересная математическая задача.

— Малые космические аппараты предназначены только для околоземного пространства или их можно отправить к Марсу? Или еще дальше?

— Большое преимущество малых космических аппаратов заключается в том, что их запуск стоит сравнительно недорого (например, миссия 12U-кубсата Capstone в 2023 г. к Луне обошлась всего в $30 млн). Недавно ученые нашего Института прикладной математики предложили индустриальным партнерам организовать миссию на Марс на малом космическом аппарате, который весит 92 кг. Причем ограничиваться одним аппаратом совсем не обязательно: такие спутники можно запускать группой, опять же, для надежности: если один сломается в пути, до планеты назначения долетит другой.

— Какие задачи они смогут решать на Марсе?

— Исследовать атмосферу, например. Если мы хотим тщательно изучить ее состав, то нам необходимо просвечивать ее (метод солнечного просвечивания. — Примеч. ред.). Для этого можно запустить два малых спутника на разные орбиты, и эти аппараты, взаимодействуя друг с другом на определенных расстояниях, смогут решить такую задачу. Эту же технологическую платформу можно задействовать и для окололунных миссий, например для дистанционного зондирования спутника Земли. Интересно и такое направление, как симбиоз малых и больших космических аппаратов. Так что, отвечая на ваш вопрос: малые космические аппараты способны успешно решать научные задачи.

— Почему тогда в мире так мало межпланетных миссий с участием тех же кубсатов?

— Главная проблема межпланетного перелета — это суметь быстро улететь от Земли и быстро затормозиться у другой планеты. Что касается кубсатов, то некоторые их особенности, связанные в том числе со слишком маленькой массой и отсутствием двигателей нужной мощности, не позволяют это сделать. Хорошо бы, конечно, лететь к Марсу и отбрасывать баки, как это описано у К.Э. Циолковского, но конструкция кубсатов на это не рассчитана. Именно поэтому кубсат Capstone, запущенный к Луне, летел при содействии притяжения Солнца по так называемой обходной территории. Кроме того, несколько лет назад к Марсу были запущены два американских 6U-кубсата. Но их нельзя назвать автономными: они долгое время находились рядом с межпланетным космическим аппаратом InSight и летели на расстоянии 10 тыс. км от него. Когда InSight стал садиться на Марс, они, находясь с другой стороны Красной планеты, передавали информацию на Землю как ретрансляторы, а затем улетели дальше. Они не смогли стать спутником Марса: энергии не хватило, у них ведь нет двигателей.

Мы, в свою очередь, для полета на Марс предлагаем использовать не кубсат, а микроаппарат с собственной двигательной установкой.

Я думаю, что текущее десятилетие станет временем, когда малые космические аппараты смогут найти более широкое применение в межпланетных миссиях, а следующее за ним десятилетие ознаменуется уже расцветом роев межпланетных космических аппаратов, о которых я говорил выше. Возвращаясь к вашему вопросу: пусть сейчас межпланетных миссий с участием малых космических аппаратов не так много, они решают весьма интересные задачи, например летают к астероидам. Для этого, к счастью, не требуется ломать голову над тем, как затормозиться: важно просто подлететь к астероиду с нужной скоростью.

— То есть они не садятся на астероид, а просто летают вокруг него?

— Они могут летать рядом, а могут и сесть, но приземление на астероиды в отличие от посадок на далекие планеты не представляет большой проблемы: вам не надо, как в случае с Марсом, везти с собой двигатель с большим запасом топлива.

— Можно ли сократить время полета к какой-то планете не за счет выбора определенной траектории, а за счет топлива? Какое топливо с этой точки зрения наиболее перспективно?

— Безусловно, топливо играет важную роль. Мы знаем, что тот же гептил, например, более эффективен, чем керосин, но опасен.

Проблема заключается в том, что текущие знания и технологии не позволяют быстро менять топливо с одного на другое.

Сейчас много говорят о зеленом, метановом топливе, которое считается более безопасным.

— И которым можно дозаправиться непосредственно на Марсе.

— В фантастическом рассказе, наверное, дозаправиться можно где угодно, а вот насчет реальности я не уверен. Просто представьте, что такое дозаправка: для этого нужно организовать целое производство! Кто будет этим заниматься?

— Илон Маск?

— Я не исключаю, что это может быть реализовано в принципе, только очень не скоро. Думаю, дозаправляться на других планетах будут уже наши прапраправнуки. Для того чтобы освоить спутник или другую планету, предстоит пройти ряд этапов. Построить там исследовательские базы, провести экспериментальные опытно-конструкторские работы и т.д. Все это может занять очень много времени.

— Надеюсь, что немало интересного в этой области мы увидим еще при нашей жизни.

— Конечно, наука стремительно развивается, и технологии тоже не стоят на месте. Важно понимать: технологию можно запатентовать, продать, засекретить, но это еще не конечная продукция. Условный обычный человек, приходя в магазин, говорит: «Мне не нужна ваша технология, дайте мне продукцию». Значит, технологию нужно еще раз проинтегрировать, взять ее квадратуру, выражаясь математическим языком. Все это опять же требует времени, и задача ученого ― проинтуичить то, в какую идею стоит вкладываться, а в какую нет, потому что идей много, но какая из них впоследствии выстрелит, не знает никто.