«Земля и Вселенная» 2002 №2, с. 86-94

Космос сегодня — среда активной практической деятельности человека. Результаты освоения космоса используются во многих направлениях науки и техники. В последнее время назрела необходимость их внедрения в образование на разных ступенях, начиная со школы. Программа создания научно-образовательных микроспутников — одно из возможных решений этой проблемы.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ МИКРОСПУТНИКОВ

Изготовление и запуск малых и сверхмалых космических аппаратов в последнее десятилетие стало достаточно распространенным явлением благодаря огромным достижениям микроэлектроники, информатики, массовому производству и доступности элементов космических систем, из-за сокращения централизованного финансирования всей космической индустрии и стремительной коммерциализации деятельности в космосе. По этим причинам наибольший интерес представляют малые космические аппараты с массой, не превышающей 100 кг, относящиеся к классу микроспутников. Их весовая классификация следующая: наноспутники (1-10 кг) и пикоспутники (менее 0.1-1.0 кг). Опыт работы с микроспутниками показывает, что при учете не только весовых, но и системных характеристик необходимо ввести подкласс декаспутников массой 10-50 кг. Декаспутники, в отличие от нано— и пикоспутников, способны решать важные самостоятельные задачи фундаментальных и прикладных космических исследований. При весе КА 50-100 кг можно решать задачи, требующие привлечения большего количества разнообразных приборов.

К настоящему времени созданы десятки микроспутников для научных исследований: чешские "Магион" (1978-96 гг.), шведские "ASTRID" (1995-98 гг.) и "MUNIN" (2000 г.), американские радиолюбительские "OSCAR" (1961-2001 гг.) и др. Программы нано— и пикоспутников разрабатываются во многих организациях и университетах США и Европы.

27 января 2000 г. по контракту с ВВС США с авиабазы Ванденберг (штат Калифорния) был осуществлен запуск микроспутников с помощью РН "Minotaur" (Земля и Вселенная, 2001, № 6). На близкие орбиты выведены пять малых спутников различного назначения: "JAWSAT", "ASUsat-1", "OCS", "OPAL", "FalconSat". Еще шесть пикоспутников были отделены от КА "OPAL" в течение двух недель после запуска. Один из них, наноспутник "StenSat", построен по схеме, близкой к устройству сотового телефона. Не все наноспутники этого запуска сработали штатно, тем не менее получен положительный результат.

Определенный опыт по разработке микроспутников имеется и в России (например, в начале 1980-х гг. запущены радиолюбительские спутники серии "Радио" и микроспутник "Искра", созданные в авиационных институтах Москвы и Куйбышева). В 1995-97 гг. выведены на орбиты радиолюбительские спутники РС-15 и РС-16, сконструированные на базе стандартных аппаратов "Стрела-1", а также исследовательский ИСЗ "Зея". Отработанные узлы и технологии позволяют перейти к конструированию микроспутников массой до 10 кг. НИИ Прецизионного приборостроения (Москва) выполнило проект "Рефлектор", в результате создан научный микроспутник весом 6 кг. В 2001 г. его запуск осуществлен в качестве попутного груза на ИСЗ "Метеор-3М". В настоящее время проводится разработка микроспутника по проекту "НОМОС-микро" в молодежном космическом центре при МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Для разработки, создания и использования микроспутников требуются новые специалисты. Мы убеждены, что в некоторых средних школах уже могут проводиться соответствующие факультативные занятия. Полученные знания школьники сумеют расширить и углубить в вузах. Такая работа должна проводиться в рамках определенной научно-методической системы.

Разработку программы научно-образовательных школьных микроспутников осуществляет Межрегиональная общественная организация "Микроспутник". С ней сотрудничают высококвалифицированные специалисты ряда институтов Российской академии наук — Институт космических исследований, Институт земного магнетизма и распространения радиоволн, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Институт атомной энергетики (г. Обнинск), ведущие организации космической промышленности, такие как РКК "Энергия", НПОмаш, КБ "Полет", РОСТО, "Магсенсорс".

Данный этап программы основан на опыте проведения фундаментальных космических исследований, имеющемся у ее участников, работающих в основном в области солнечно-земной физики, и направлен на решение образовательных, научно-исследовательских и технических задач.

В центре компьютерных технологий. Слева — руководители научной программы С.И. Климов и Г.М. Тамкович.

Образовательные задачи решаются исходя из того, что микроспутник — это дорогое и сложное учебное пособие, из-за применения в нем высоких космических технологий недоступное для обычной системы среднего школьного образования. Участвуя в этой программе, школьники более глубоко изучают физику, математику, информатику в рамках специализированного лабораторного практикума. Сами микроспутники должны создаваться на предприятиях космической отрасли.

Научно-исследовательские задачи, решаемые с помощью эксплуатации микроспутников, дадут школьникам дополнительные знания о фундаментальной науке. Обычные школьные предметы станут более привлекательными и доступными для учащихся. Конечно, ученые тоже получат ценную для себя информацию.

Многолетний опыт космических исследований, приобретенный в том числе на орбитальном комплексе "Мир", свидетельствует о необходимости мониторинга физических параметров и процессов в околоземном космическом пространстве. Известно, что важную роль для жизни и здоровья людей играют процессы, происходящие в магнитосфере и ионосфере. Магнитосфера — это своеобразный экран, защищающий человека от высокоэнергетичных (радиационных) частиц солнечного и галактического происхождения. Ионосфера и атмосфера с ее озоновым слоем, предотвращают губительное воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучений на биосферу Земли. Эти процессы определяются 11— и 22-летними циклами солнечной активности, что требует длительных наблюдений с космических аппаратов.

Один из компонентов "космической погоды" (Земля и Вселенная, 2000, № 3) — возмущения, "пришедшие" в окружающее космическое пространство с поверхности Земли и имеющие как природное (например, землетрясения, извержения вулканов, тайфуны), так и антропогенное (промышленные электромагнитные излучения и газы, техногенные катастрофы) происхождение. Эффекты, связанные с излучением линий электропередач, усиливаются с увеличением потребления электроэнергии в мире (2 х 10¹⁵ Вт в 1955 г., 12 х10¹⁵ Вт в 1992 г.). С тех пор как в 1930-х гг. обнаружено, что ионосфера нагревается радиоизлучением, стало ясно: антропогенная деятельность может возмущать ионосферу. Передатчики, используемые в радиосвязи и радионавигации (диапазоны от СДВ до СВ и KB), нагревают ионосферу и изменяют естественные параметры плазмы. Сигналы передатчиков после взаимодействия с волнами естественного происхождения могут выглядеть при приеме как природное излучение. Выбросы промышленных газов проникают в верхнюю атмосферу и даже ионосферу, изменяют их естественный химический состав и электродинамические параметры плазмы.

Отсюда необходимость глобального мониторинга возмущений в ионосфере. Такой мониторинг, очевидно, проще всего осуществлять с помощью космических аппаратов. Получаемая при этом информация вводится в мощные вычислительно-информационные системы и становится доступной широкому кругу пользователей, в том числе и школьникам. Использование микроспутников делает мониторинг экономически оправданным.

Бортовые высокотехнологичные приборы и устройства должны разрабатываться (технические и конструкторские задачи), как уже отмечалось, в профессиональных организациях, а школьники занимаются в основном решением образовательных задач. Для каждого микроспутника составляется отдельная программа, чтобы оптимально его использовать и применить полученные результаты в образовательной программе. На примере проекта "Колибри-2000" мы подробно расскажем о таком подходе.

Основной конструкторский принцип при создании микроспутников — их универсальность — реализуется с помощью разработки и многократного применения универсальной базовой конструкции; благодаря этому предполагается сохранить во всей серии микроспутников до 60-80% конструктивных элементов и систем.

Важный элемент программы — развертывание портативных школьных наземных комплексов управления (ШНКУ). Они просты по конструкции, базируются на применении стандартных комплектующих, выпускаемых серийно и используемых в современной радиолюбительской аппаратуре, что

Технические и конструкторские задачи проекта школьники решают, в первую очередь, участвуя в работе ШНКУ. Они включаются в процесс разработки алгоритмов и программного обеспечения для бортового сбора данных и управления на орбите, передачи информации на Землю, приема информации на ШНКУ. Непосредственное участие российских и австралийских (через Интернет) школьников в наземных испытаниях дает им представление об организации и "технологии" космической промышленности.

Вывод микроспутника "Колибри-2000" на орбиту осуществлен с борта транспортного грузового корабля "Прогресс М1-7" после выполнения им основных задач по обслуживанию Международной космической станции. Спутник отделился от "Прогресса" с помощью оригинального транспортно-пускового контейнера, созданного в Специальном конструкторском бюро космического приборостроения Института космических исследований РАН при участии специалистов РКК "Энергия" им. С.П. Королёва.

Широкое поле для творческой деятельности школьников — создание базы данных физических измерений, распространение их в сети Интернет для всех участников проекта и программы школьных научно-исследовательских микроспутников.

Итак, многоцелевые микроспутники применяются для решения научных либо учебно-просветительских задач. "Колибри-2000" — первый в мире школьный микроспутник, созданный на профессиональном уровне с позиций системного подхода, выполняющий сложную и специфическую программу.

Член школьной группы проекта "Колибри-2000" Константин Самбуров — праправнук основоположника космонавтики К.Э. Циолковского.

Важно изначально определить, что должны делать на каждом из этапов разработки, испытаний и орбитального полета группы специалистов и школьников. Одно время ребят привлекали к созданию спутника (без уточнения юридической основы и ответственности). На практике это сводилось к тому, что они разрабатывали эскизы, эмблемы, значки, а также проводили конкурсы и обменивались опытом. Возникала иллюзия о участия школьников в изготовлении спутника, хотя, конечно, он может быть создан лишь профессионалами. А разработка микроспутника еще сложнее и усугубляется рядом дополнительных ограничений по весу, габаритам, энергопотреблению, что вызывает необходимость обратиться к последним достижениям в области технологии, материаловедения, кибернетики и пр.

Почему целесообразно использовать микроспутники при реализации школьных программ? По нашему мнению, пока запуск 1 кг полезной нагрузки будет стоить более 10 тыс. долларов, масса микроспутника не должна превышать 20-25 кг, а научная аппаратура — 20-25% — от его общей массы. Отсюда жесткие требования к созданию комплекса научной аппаратуры. С другой стороны, необходимо, чтобы научная программа была реальной и понятной школьникам и любителям космонавтики. Подчеркнем, что этим молодым людям понадобится знание английского языка и компьютерных технологий. Главные условия привлечения к космическому проекту школьников (студентов) — их хорошая успеваемость и личное желание. Тем самым учащиеся постоянно расширяют кругозор, эрудицию и знания. По мнению авторов данной концепции, участие школьников, представителей молодежи в проектах, не предусматривающих научную программу, ограничивалось лишь образовательными и пропагандистско-воспитательными задачами. С появлением научной программы стало не только целесообразным, но и обоснованным привлечение школьников к регистрации научной информации, ее обработке, интерпретации, архивации и обмену с другими партнерами.

Микроспутник "Колибри-2000" во время испытаний.

В 1999 г. по инициативе российских и австралийских школьников началась совместная работа по созданию научно-исследовательской школьной программы, основная задача которой — разработка первого в мире научно-исследовательского школьного спутника. Необходимо было создать микроспутник массой 20-35 кг (масса научной аппаратуры не менее 20% от общей) для решения не более пяти научных задач. Космический аппарат запускается как попутный груз и работает на орбите не менее 4 месяцев. Он должен быть предельно прост в управлении полетом (используется радиолюбительский диапазон). Учащиеся самостоятельно работают на приемо-передающем пункте управления, обрабатывают, интерпретируют и архивируют полученную информацию.

Первым в программе, реализуемой Межрегиональной общественной организацией "Микроспутник", является микроспутник "Колибри-2000", разработанный и изготовленный в Специальном конструкторском бюро космического приборостроения ИКИ РАН с участием ведущих организаций космической промышленности. В российско-австралийском проекте "Колибри-2000" участвуют: российские школы (компьютерных технологий "Гелиос" и физико-техническая при Институте атомной энергетики, г. Обнинск) и австралийские (Knox Grammar School и Ravenswood School for Girls). На конкурсной основе сформированы группы из 8-10 школьников 6-11-х классов и студентов начальных курсов вузов. Они участвуют в разработке и реализации научной программы, концепции конструкции микроспутника и его систем. Ученые ИКИ РАН и НИИЯФ МГУ проводят для учащихся теоретические и практические занятия, методические сборы и семинары в Школе компьютерных технологий и ИКИ РАН. В Сиднее в августе 2000 г. проведен российско-австралийский коллоквиум, на котором российские школьники сделали ряд докладов на английском языке по всем разделам проекта. Во время работы "Колибри-2000" на орбите запланированы совместный коллоквиум и научно-методический семинар в России. Разрабатывается образовательная программа с использованием сети Интернет. Участие в проекте "Колибри-2000" школьников России и Австралии предопределило научную и учебную задачи — сравнительное описание околоземного космического пространства над территорией Европы (имеющей сильное техногенное воздействие на космическую среду) и над территорией Австралии (мало подверженной техногенным воздействиям).

Общий вид КА "Колибри-2000". Рисунок.

На 2000-01 гг. пришелся максимум 11-летнего цикла солнечной активности, поэтому особенно интересно изучать проблему солнечно-земных связей. На микроспутнике "Колибри-2000" установлены научные приборы — трехкомпонентный феррозондовый магнитометр для исследования геомагнитных флуктуации и анализатор частиц и полей.

Микроспутник "Колибри-2000" представляет собой шестиугольную призму (масса = 20 кг, диаметр — 0.4 м и высота — 0.55 м). На КА работают два прибора и комплекс служебной аппаратуры, включающий системы: сбора данных и управления, командной радиолинии, служебной и научной телеметрии, энергоснабжения, терморегулирования и гравитационной ориентации. Микроспутник "Колибри-2000" запущен в качестве попутного груза на транспортном грузовом корабле "Прогресс М1-7" 26 ноября 2001 г. Спутник предполагается отделить от корабля "Прогресс М1-7" в феврале 2002 г.

Первый проект должен показать свою целесообразность (и даже необходимость), принципиальную возможность осуществления подобных проектов при определенных организационных и финансовых условиях. Каждый из последующих проектов программы будет реализовываться в основном за счет внебюджетных источников (предполагается участие различных фондов, необходимы вклады российских и зарубежных участников, инвестиции из федерального и регионального бюджетов).

ДРУГИЕ ПРОЕКТЫ МИКРОСПУТНИКОВ

Реализация проекта "Колибри-2000" ("Микроспутник-1") станет первым пунктом выполнения программы и послужит отправной точкой при разработке перспективных научно-технических задач для серии микроспутников.

В задачи "Микроспутника-2" входит получение мелко— и крупномасштабных снимков поверхности Земли в интересах изучения географии и использования в прикладных целях (экология, лесное хозяйство, ландшафтоведение и др.). Наряду со школьниками к работе по проекту "Колибри-2000" привлекаются специально сформированные группы, в том числе международные, для изучения поверхности Земли и дешифрирования космических снимков. В комплекс аппаратуры "Микроспутника-2" включены: феррозондовый магнитометр, измеритель индуцированного электрического поля для исследования экваториальных плазменных явлений, анализатор энергичных частиц для изучения динамики радиационных поясов и приэкваториальных аномалий, мелкомасштабная телевизионная камера (цифровой фотоаппарат) с охватом съемки 500-600 км и разрешением около 1-2 км в видимом диапазоне, крупномасштабная телевизионная камера (цифровой фотоаппарат) с охватом съемки 20-50 км и разрешением около 100-200 м в ближней инфракрасной области спектра, навигационный приемник системы GPS/ГЛОНАСС для точного определения параметров орбитального полета. Перечислим некоторые технические характеристики "Микроспутника-2". В его конструкции, близкой к устройству "Колибри-2000", улучшены массо-габаритные характеристики служебных систем. Для передачи больших объемов информации предполагается использовать частоту 2.4 Ггц. В систему ориентации и стабилизации войдут как магнитогравитационная система (идентичная "Колибри-2000"), так и система управляемых разворотов, включающая приемник системы GPS/ГЛОНАСС, магнитометр, измеритель токов, микропроцессорное устройство. ШНКУ модернизируется для приема информации объемом несколько Мегабайт за сеанс связи.

Контрольный выброс из пускового контейнера при испытаниях "Колибри-2000". Аналогичный контейнер расположен на грузовом КК "Прогресс М1-7".

Последующие проекты программы находятся на этапе разработки концепций, направленных на освоение новых космических технологий, проведение опыта по созданию отдельных элементов микроспутников силами школьников под руководством специалистов из институтов Академии наук, университетов, ведущих предприятий космической промышленности.

"Микроспутник-3" — усовершенствованный проект предыдущих КА. Его особенность заключена в использовании тросовой системы. Исследование ее динамики — важная научная задача — очень привлекательно для школьной образовательной программы. Задачей "Микроспутника-4" станет маневрирование на орбите с помощью микродвигателя. Он будет наблюдать за большими спутниками и обнаруживать утерянные космические объекты. Проблема состоит в обеспечении длительного ресурса работы такого аппарата. На нем предполагается испытать микроволновый плазменный микродвигатель. В качестве учебной задачи видится разработка программ расчетов движения микроспутника в гравитационном поле Земли и алгоритмов перестройки орбит. Основные задачи "Микроспутника-5" — глобальная пакетная связь (электронная почта) для ШНКУ и школьных радиостанций, использование ее в сети Интернет; создание баз данных по космической физике, спутниковой связи, управлению полетом; развитие средств и способов мониторинга окружающей среды с трансляцией данных в Интернет. Предполагается, что перечисленные спутники будут запущены на полярную круговую и солнечно-синхронную орбиты высотой 600-1500 км и наклонением 63-90°.

Разработка комплексной программы требует нового подхода к организации и срокам проведения работ. Важнейший фактор, определяющий успех программы, — ее ориентация на негосударственное (спонсорское) финансирование. Авторы программы полагают, что удастся привлечь достаточное число участников, каждый из которых внесет посильный вклад в ее реализацию и финансирование. В рамках организации "Микроспутник" будут работать авторы и соавторы проекта, ассоциированные члены проекта (школы и другие учебные учреждения) и привлеченные спонсоры.

Создание каждого микроспутника предполагает четыре этапа: 1 -й этап (3-4 месяца) — формирование творческого коллектива, рабочий семинар потенциальных участников; 2-й этап (4 месяца) — проектирование и отработка его отдельных узлов; 3-й этап (6 месяцев) — интеграция систем, полный цикл наземных испытаний и сертификация; 4-й этап — выведение микроспутника на орбиту, проверка его функционирования, выполнение образовательной и научно-исследовательской программ за период активного существования.

Таким образом, результаты работы над микроспутником "Колибри-2000" помогут в каждом новом проекте повысить научно-образовательный потенциал программы. Реализация всех ее пяти проектов позволит получить бесценный опыт для развития исследовательских и учебных проектов с применением самых современных космических технологий.