«Земля и Вселенная» 2004 №2, с. 19-28

В последнее время все чаще какая-либо коммерческая или образовательная организация занимается разработкой столь высокотехнологического продукта, как микроспутник. Если раньше, лет десять назад, запуск космического аппарата требовал больших затрат и не каждая страна, даже космическая держава, могла позволить себе заниматься подобного рода деятельностью, то сегодня положение меняется. По сравнению с началом 1990-х гг. количество стран, проводящих космические исследования, удвоилось. Современный уровень технического прогресса дает возможность решать многие задачи с помощью небольших космических аппаратов научного и прикладного назначения.

В настоящее время большой интерес проявляется к созданию и использованию малых космических аппаратов — адекватной замене больших КА. Это объясняется многими преимуществами микроспутников (МС):

1. Сравнительно низкая цена, а также небольшое время, необходимое для разработки и изготовления микроспутника.

2. Низкая цена запуска космического аппарата. Ракета-носитель даже легкого класса способна вывести на орбиту несколько микроспутников. Кроме этого, для запуска применяются конверсионные баллистические ракеты, которые в соответствии с договорами уничтожаются путем запуска в космос с полезной нагрузкой. Легкие космические аппараты могут выводиться в качестве попутного груза на ракетах-носителях или в транспортных кораблях, доставляющих грузы на долговременные орбитальные станции.

3. Снижение риска больших финансовых потерь при гибели микроспутника в случае аварии РН на старте или при неудачном выведении его на рабочую орбиту.

Микроспутником считается космический аппарат с массой от 10 до 100 кг. Благодаря современному уровню развития науки и техники на спутнике такого класса можно устанавливать практически все присущие большому КА бортовые системы: ориентации (пассивная и активная), электропитания, определения положения, радиосвязи, а также бортовой вычислительный комплекс. Безусловно, микроспутник несет полезную нагрузку, связанную с определенным классом решаемых задач широкого спектра: связь (в том числе радиолюбительская), дистанционное зондирование Земли, фотосъемка, научные исследования, технологические и другие эксперименты (в том числе в образовательных целях) и др.

С МИКРОСПУТНИКОВ НАЧИНАЛОСЬ...

Первый советский ИСЗ "Спутник", запущенный в космос 4 октября 1957 г., стал первым микроспутником в мире. Его задачи: исследование прохождения радиоволн через ионосферу, по торможению определить косвенную оценку плотности верхних слоев атмосферы. Спутник диаметром 0.58 м и массой 83.6 кг просуществовал на орбите три месяца (Земля и Вселенная, 1987, № 5). Второй микроспутник, американский "Explorer-1" (масса 13 кг), выведен на орбиту 1 февраля 1958 г. Результаты наблюдений за возмущением его орбиты также использовались при расчете плотности атмосферы на различных высотах и для определения формы планеты (Земля и Вселенная, 1965, № 1; 1966, №1).

Технологии того времени еще не позволяли выводить в космос многотонные аппараты, а на спутниках начала 1960-х гг. в силу небольших размеров и веса невозможно было разместить сложную бортовую аппаратуру. Далее постепенно возрастала масса выводимых на орбиту аппаратов. Но и микроспутники играли существенную роль в космической отрасли. Они регулярно выводились на орбиты для решения конкретных задач.

В СССР микроспутники создавались в основном для решения задач связи. Долгое время, начиная с конца 1960-х гг. и до 1992 г., Советский Союз использовал микроспутники серии "Стрела-1" и "Стрела-1М", запускавшиеся под индексом "Космос". Они передавали информацию из одной точки Земли в другую. Зная время прохождения спутника над определенной точкой, абонент мог быстро передать по радиоканалу на спутник накопленную информацию, а когда спутник проходил над территорией СССР, эту информацию "сбрасывали" на наземные пункты командно-измерительного комплекса. Спутники серии "Стрела-1 М" регулярно выводились по 8 штук одновременно и равномерно разводились в плоскости орбиты. Это позволяло поддерживать постоянную связь с абонентами, находящимися за пределами нашей страны. Данная система использовалась в интересах специальных служб. Уже более десяти лет она не эксплуатируется и не обновляется, ее заменили более совершенные средства.

Использование космических аппаратов для ретрансляции голосовых сообщений началось с микроспутника "Telstar-1" (США) массой 77 кг, выведенного на орбиту 10 июля 1962 г. Возможности этого аппарата позволяли ретранслировать информацию по 600 голосовым каналам и одному телевизионному. Начало его работы можно считать рождением эры спутникового телевидения. Спутник не всегда находился в зоне видимости приемопередающих пунктов, поэтому невозможно было осуществлять постоянную связь. 19 августа 1964 г. запустили первый геостационарный спутник "Syncom-3" (США) мaccoй 39 кг. Это привело к установлению первого постоянного канала дальней связи. Следует заметить, что через данный микроспутник напрямую проходила трансляция соревнований Олимпийских игр в Токио. Кроме этого, с его помощью осуществлялась телетайпная связь с самолетами, следующими по курсу Сан-Франциско — Гонолулу.

С самого начала космической эры были очевидны преимущества спутников для точного определения местоположения объектов на Земле. Первые микроспутники, которые решали эту задачу, — МС серии "Transit" (первые эксперименты в навигации произвел "Transit-10" в августе 1966 г.). Первый микроспутник такого типа "Transit-4A" (США), массой 79 кг, запущен 29 июня 1961 г. Такие космические аппараты помогали определять местонахождение подводных лодок (Земля и Вселенная, 2000, № 1). Система состояла из четырех спутников и нескольких наземных станций. На борту спутника находились доплеровский излучатель и устройство для хранения данных. Принимая сигнал с МС тремя станциями, зная параметры орбиты и значение сдвига радиосигнала частоты Доплера, вычислялось положение источника излучения на Земле.

С 1964 г. для аналогичных целей стали применять микроспутники военного назначения серии "Secor" (1964-70 гг.) массой 16-23 кг, принцип действия которых можно считать прообразом современной глобальной навигационной системы GPS (Global Positioning System -глобальная позиционирующая система, выполняющая высокоточное определение местоположения мобильных и стационарных объектов). С 1978 г. запускаются серийные американские навигационные ИСЗ "Navstar" данной системы.

Кроме обеспечения связи и телекоммуникации МС часто использовались для проведения научных экспериментов. Начало этому положили американские спутники серии "Explorer". Среди них много микроспутников (всего запущено 35 КА массой 8.3-97.5 кг, 1958-74 гг.), предназначавшихся для различных исследований в космосе. Проведены исследования космических лучей, плотности потока микрометеорных тел, корпускулярного излучения Солнца, облачного покрова Земли, магнитного поля Земли, альбедо Земли, излучения Лайман-альфа, рентгеновского излучения, электронной и ионной концентрации в ионосфере, жесткого первичного космического излучения.

В дальнейшем, с развитием космической отрасли, с увеличением грузоподъемности ракет-носителей, для этих целей стали выводить на орбиты более крупные и тяжелые КА, которые позволяли размещать на борту сложную и энергоемкую аппаратуру. Микроспутники применялись для экспериментов, не требующих больших энергозатрат, или в составе уже функционирующих космических систем ("Стрела-1М", "Transit" и др.).

Китайский микроспутник "Tsinghua-1" изготовлен на основе базовой конструкции "UoSat" (2000-033В), масса 50 кг. Выведен 28 июля 2000 г. на орбиту высотой 708 х 684 км, наклонением 98.1°, периодом обращения 98.69 мин. Целевое назначение: отработка новых технологий. Фото Суррейского университета.

Такое положение сохранялось вплоть до 1992 г., когда финансирование отечественной космической программы резко уменьшилось. Уровень развития техники позволил идти по пути всеобщей технической миниатюризации. Создание микропроцессорных систем при малых габаритах КА обеспечивали высокую информационную производительность: появление твердотельных радиоэлектронных приборов, микроэлектромеханических систем, миниатюрных гироскопов, более эффективных солнечных батарей (фотопреобразователей) позволило создавать бортовые системы КА, в несколько раз меньшие, чем их предшественники, как по массе, так и по габаритам. Кроме этого, системы определения положения на основе навигационной системы GPS дали возможность отказаться от применения дорогого комплекса наземных пунктов слежения. Это способствовало резкому увеличению количества стран, использующих спутники для решения различных задач.

РОЛЬ МИКРОСПУТНИКОВ

Вследствие малого веса и габаритов МС во многих случаях выводились на орбиту в качестве попутного груза вместе с большим КА либо совместно с другими МС. В ряде стран, желающих решать свои задачи в космосе, нет развитой космической инфраструктуры. Многие страны используют МС при отсутствии собственных космодрома и ракеты-носителя. Более того, некоторые страны не имеют возможности создавать полнофункциональные МС, поэтому их заказывают на стороне. Например, Марокко применяет МС, сделанный совместно

Пакистанский микроспутник дистанционного зондирования Земли "Badr-B" (2001-056C) массой 68.5 кг выведен 10 декабря 2001 г. на орбиту высотой 1014 х 986 км, наклонением 99.7°, периодом обращения 105.0 мин. Фото Суррейского университета.

Подобная международная кооперация ускоряет освоение космического пространства странами, которым для создания и развития собственной космической отрасли потребовались бы еще длительное время и значительные средства.

Одна из "некосмических" стран, самостоятельно создавших первый отечественный космический аппарат, — Пакистан. Первый микроспутник "Badr-A" массой 52 кг выведен в космос китайской ракетой-носителем "CZ-2E" 16 июля 1990 г. Экспериментальный "Badr-A" предназначен для отработки перспективных технологий спутниковых систем. Второй микроспутник, "Badr-B" (масса 68.5 кг), Пакистан запустил 10 декабря 2001 г. с помощью ракеты-носителя "Зенит-2" (Земля и Вселенная, 2003, № 2) для фотосъемки земной поверхности и измерения солнечной радиации. Система электропитания состояла из аккумуляторных батарей и солнечных панелей. Ориентация и стабилизация МС осуществлялась при помощи гравитационной штанги длиной 6 м со стабилизирующим грузом на ее конце массой 4 кг.

Кроме Пакистана к освоению космического пространства приступили ЮАР, Саудовская Аравия, Малайзия, Аргентина, Марокко, Таиланд и Алжир. К настоящему времени около 40 стран запустили космические аппараты (Земля и Вселенная, 2000, №1).

Европейский микроспутник для отработки новых технологий "PROBA" массой 94 кг выведен 22 октября 2001 г. на орбиту с параметрами: высота апогея — 697 км, высота перигея — 553 км, наклонение плоскости орбиты — 97.8°, период обращения — 97мин. Рис. ESA.	Фотографии земной поверхности, полученные с помощью аппаратуры микроспутника "PROBA" (съемка фотокамерой CHRIS): а) вулкан Этна, Италия (30 октября 2002 г.); б) Сан-Франциско, США (30 июля 2002 г.). Фото ESA.

Микроспутники играют значительную роль в ускорении развития космонавтики некоторых стран, поэтому может сложиться впечатление, что основное их преимущество — простота. Это не совсем так. Европейским космическим агентством создан и запущен 22 октября 2001 г. научный экспериментальный микроспутник "PROBA" массой 94 кг (Земля и Вселенная, 2003, № 2). По оценкам специалистов, задачи, решаемые этим космическим аппаратом, по сложности не уступают тем, что возлагались лишь на спутники с гораздо большей массой. МС "PROBA" предназначен для испытаний ИК-датчиков нового поколения, обнаружения лесных пожаров, вулканической деятельности и горящих нефтяных скважин, мониторинга состояния растительного покрова, изучения дымовых шлейфов и водяных облаков. Полезная нагрузка этого микроспутника включает: компактный видовой спектрометр высокого разрешения; черно-белую камеру высокого разрешения CHRIS (масса 2.1 кг, апертура 115 мм, фокусное расстояние 2296 мм, угол обзора 0.504°, ПЗС-матрица 1024 х 1024 пикселей, разрешение 5 м); широкоугольную камеру (датчик CMOS: 640 х 480 пикселей, угол обзора 40 х 31°); монитор радиационной обстановки; прибор для исследования орбитального мусора; датчики радиации и температуры; миниатюрный монитор радиационной обстановки; автономный звездный датчик.

Страны, использующие микроспутники Таблица

Дата запуска первого ИСЗ	Страна	Число	МС	РН	Космодром
4 октября 1957 г.	СССР	392	+	+	+
1 февраля 1958 г.	США	305	+	+	+
26 апреля 1962 г.	Великобритания	18	+	—	—
15 декабря 1964 г.	Италия	7	+	—	+
26 ноября 1965 г.	Франция	20	+	+	+
29 ноября 1967 г.	Австралия	3	+	+	+
17 мая 1968 г.	ЕКА	3	+	—	—
8 ноября 1969 г.	Германия	11	+	—	—
11 февраля 1970 г.	Япония	15	+	+	+
15 ноября 1974 г.	Испания	1	+	—	—
24 октября 1978 г.	Чехия	6	+	—	—
18 июля 1980 г.	Индия	3	+	+	+
19 сентября 1981 г.	Китай	2	+	+	+
22 января 1990 г.	Аргентина	2	+	—	—
22 января 1990 г.	Бразилия	2	+	—	—
16 июля 1990 г.	Пакистан	2	+	—	—
3 марта 1992 г.	Россия	17	+	+	+
10 августа 1992 г.	Ю. Корея	3	—	—	—
22 октября 1992 г.	Канада	2	+	—	—
25 сентября 1993 г.	Португалия	2	+	—	—
24 января 1995 г.	Швеция	2	+	—	—
31 августа 1995 г.	Чили	2	—	—	—
5 сентября 1996 г.	Мексика	1	+	—	—
10 июля 1998 г.	Израиль	+	—	—	—
10 июля 1998 г.	Таиланд	1	—	—	—
23 февраля 1999 г.	Дания	1	+	—	—
23 февраля 1999 г.	ЮАР	1	+	—	—
10 октября 2000 г.	Саудовская Аравия	1	+	+	+
10 октября 2000 г.	Малайзия	1	—	—	—
22 октября 2001 г.	Бельгия	1	+	—	—
10 декабря 2001 г.	Марокко	1	—	—	—
28 ноября 2002 г.	Алжир	1	—	—	—
27 сентября 2003 г.	Нигерия	1	—	—	—
27 сентября 2003 г.	Турция	1	—	—	—

Примечание. Страны представлены в порядке очередности запуска первого микроспутника. В третьей колонке приведено общее число МС, запущенных в 1957—2003 гг. В четвертой колонке отмечена возможность создания страной полноценного МС. В пятой и шестой колонках знаком "плюс" отмечено использование страной собственных средств выведения для запуска МС. Отечественные микроспутники разделены на микроспутники СССР и России для наглядного представления о состоянии отрасли МС нашей страны в последнее десятилетие.

Диаграмма, показывающая распределение количества запущенных микроспутников по годам (синим цветом выделено общее количество КА, красным — составляющая отечественных спутников среди общего количества). Видно, что в 1957-65 гг. происходит резкое увеличение числа запущенных микроспутников, что связано с развитием космической отрасли. С 1965 г.по 1978 г. число стартовавших КА стабилизировалось, а с 1978 г. их количество постепенно уменьшается. Так как почти все советские МС были специальными спутниками связи ("Стрела-1 и — 1М"), то результаты исследований также иллюстрируют использование МС в решении задач оборонного назначения. В 1957-81 гг. происходит увеличение числа запусков, а с начала 1980-х гг. наблюдается постепенное их сокращение. С 1993 г. спутники серии "Стрела-1М" на орбиту не выводятся. В последнее десятилетие Россия производит лишь единичные запуски микроспутников.

ЦЕЛЕВОЕ НАЗНАЧЕНИЕ МИКРОСПУТНИКОВ

Микроспутники отличаются значительным разнообразием решаемых задач, но в основном это спутники связи (запущен 531 КА). Их можно разделить на две подгруппы — гражданского и специального назначения. МС для гражданской связи составляют четвертую часть всех запущенных связных МС. Особенность МС связи заключается в том, что их выводят на орбиту по несколько штук. Так, например, советские МС серии "Стрела-1М" запускались по 8 аппаратов одновременно (например, "Космос-366-343" стартовали 25 апреля 1970 г. и "Космос-444-451" — 13 октября 1971 г.), так же как и американские серии "DSCS" (Defence Satellite Communications System — военная космическая система США для связи управления вооруженными силами). В 1995-99 гг. запущено 48 МС гражданского назначения системы мобильной связи "Orbcomm" массой 42-52 кг (Земля и Вселенная, 1996, № 4; 1998, №5; 2000, №3).

Для изучения околоземного пространства использовалась десятая часть всех МС (90 спутников). Микроспутники проводили исследования космических лучей, плотности потока микрометеорных тел, космической радиации, атмосферы, магнитосферы, ионосферы. Почти столько же МС предназначалось для испытаний новых космических технологий (70 КА), которые в дальнейшем использовались на более сложных и дорогих КА. Например, 17 декабря 1997 г. проведен эксперимент "Инспектор" (немецкая фирма DASA и РКК "Энергия"): микроспутник массой 72 кг, отделившись от грузового корабля "Прогресс М-36", на небольшом расстоянии от ОС "Мир" выполнил ее наблюдение (Земля и Вселенная, 1998, №2).

"МАК-1" — микроспутник СКВ МАИ для геодезических исследований. Выведен на орбиту 17 июня 1991 г. из шлюзовой камеры пилотируемой станции "Мир". Орбита имела апогей 151 км и перигей 143 км, наклонение 51.6°, период обращений 87.4 мин.

Предположительно 52 микроспутника использовались США в разведывательных целях (например, эксперимент "STEX", проведенный 16 января 1999 г.; Земля и Вселенная, 2000, №3).

Кроме телекоммуникации, изучения околоземного космоса, экспериментов в области новых технологий и военных задач, МС запускались для целей навигации (29 спутников), геодезии (18), дистанционного зондирования Земли (17) и в образовательных целях (5).

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МИКРОСПУТНИКИ

Наша страна накопила большой опыт запусков микроспутников. Отметим, что кроме спутников связи "Стрела-1 и -1М" запускались и другие типы отечественных МС. Например, радиолюбительские микроспутники серии "PC" (РС-3-8, РС-12/13, РС-15) создавались для ретрансляции радиосигналов.

Большой вклад в создание микроспутников нашей страны вносит студенческое КБ "Искра" Московского авиационного института им. С. Орджоникидзе. Оно организовано на факультете летательных аппаратов в 1968 г. пионером советского ракетостроения Героем Социалистического Труда профессором М.К. Тихонравовым (Земля и Вселенная, 1980, № 5). В 1978-92 гг. на орбиты выведено семь МС, разработанных СКБ "Искра": "Радио-1", "Радио-2", "Искра-1-3", "МАК-1" и "МАК-2".

С помощью спутников "Искра-2" и "Искра-3" выполнены следующие задачи: отработаны новые конструкторско-технологические решения по созданию ИСЗ негерметичной конструкции, проведены исследования теплообмена и параметров системы обеспечения теплового режима, а также испытаны солнечные батареи с фотопреобразователями другого типа. Кроме того, осуществлена экспериментальная отработка радиоуправления в КВ-диапазоне радиоволн и проверена возможность управления спутником, находящимся вне зоны радиовидимости.

В 1986 г. в СКВ "Искра" профессор Г.В. Малышев организовал работы по созданию серии малогабаритных диагностических ИСЗ. Микроспутники серии "Спектр" (в дальнейшем спутники этой серии получили названия "МАК-1" и "МАК-2") предназначались для выполнения геофизических исследований слабых воздействий в системах Земля — Солнце, Земля — Луна, Земля — атмосфера и ионосфера, а также исследования среды около КА, внешних условий и полей базового спутника. Данные ИСЗ обеспечивали возможность проведения физико-технологических экспериментов по отработке новых принципов построения автономных и взаимодействующих космических объектов, их приборов и оборудования. Микроспутники "МАК-1" и "МАК-2" были выведены на орбиту через шлюзовую камеру орбитальной станции "Мир" 17 июля 1991 г. и 19 ноября 1992 г.

Диаграммы, показывающие распределение количества запущенных микроспутников а) по апогеям орбит и б) по наклонениям орбит. Синим цветом выделено общее количество запущенных КА, красным — составляющая отечественных спутников среди общего количества.

Пассивные МС серии "Пион" для исследования атмосферы выводились в 1989-92 гг. на низкие орбиты в качестве попутной нагрузки совместно с технологическим спутником "Ресурс-Ф1".

Микроспутники "Зея" и "Можаец" разработаны в НПО прикладной механики им. М.Ф. Решетнева (г. Железногорск, Красноярский край) при активном участии преподавателей и слушателей Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского (г. Санкт-Петербург). МС "Зея" массой 87 кг (запущен 4 марта 1997 г.) создан на базе связного МС типа "Стрела-1" и использовался для отработки технологии навигации в условиях космического пространства, контроля движения КА по траектории выведения и на орбите (Земля и Вселенная, 1998, №№ 4, 5). В задачи МС "Можаец" (запущен 28 ноября 2002 г.) входили: проведение экспериментальных работ по отработке технологий использования навигационной аппаратуры потребителя навигационных систем ГЛОНАСС и GPS; оценка влияния радиационных потоков в космическом пространстве на ресурс бортовых электронных приборов; обучение слушателей высших военных учебных заведений Космических войск работе с КА, находящимися на орбите; обеспечение ретрансляции сигналов любительских наземных радиостанций связи на базе принципов, реализованных на спутниках "Радио-РОСТО" и "Зея".

МС "Колибри-2000" массой 20.5 кг (запущен 19 марта 2002 г.) — первый спутник, выведенный на орбиту в рамках Международной программы (с участием России и Австралии) научно-образовательных микроспутников, руководитель программы — доктор технических наук Г.М. Тамкович (Земля и Вселенная, 2002, № 2; 2003, № 6).

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОРБИТЫ

Интерес представляет анализ орбит, которые используются для программ на базе МС. В основном спутники запускались на орбиты с высотой апогея от 500 до 2000 км и периодом обращения от 90 до 120 мин. Весьма широк диапазон углов наклонения плоскостей орбит МС к плоскости земного экватора. Он охватывает практически весь диапазон от экваториальной (0°) до полярной и солнечно-синхронной орбиты с наклонением 100-110°. Правда, советские МС запускались с учетом разрешенных азимутов пуска с углами наклонения в пределах 50-100°.

За 45 лет космической эры было запущено более 800 микроспутников, среди которых большая часть принадлежала США и СССР. Две трети всех МС решали задачи связи и около десятой части — целевые задачи разведки и навигации. Остальные МС (около 15%) применялись для исследовательских целей и экспериментов.

Тенденция развития космонавтики показывает, что микроспутники продолжают совершенствоваться. Благодаря микроминиатюризации и применению компактных бортовых ЭВМ их возможности расширяются. Число стран, использующих МС, будет расти. По этому можно считать, что микроспутники теперь занимают достойную нишу в космонавтике.