В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Интерес к малым спутникам, первоначально – в массовом классе около тонны и ниже, проявился относительно давно, в том числе – для использования на геостационарной орбите [1-5]. В основном этот интерес был связан с возможностью снижения стоимости запуска за счет использования конверсионных баллистических ракет. В реальности использование конверсионных МБР в коммерческих целях оказалось проблематичным, и это направление активного развития не получило.
К началу 2010-х гг. тенденция к миниатюризации бортовых систем и расширение круга участников космической деятельности привела к резкому росту популярности малых космических аппаратов, используемых в прикладных, научных и технологических целях. При этом в диапазоне единиц и первых десятков килограммов активно развиваются так называемые “Кубсаты”, космические аппараты массой 100-200 кг планируются для использования в составе многоспутниковых группировок, а аппараты массой до тонны успешно заменяют многотонные прикладные спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) прошлых лет. По прогнозу SpaceWorks [6], до 2022 г. на орбите окажется порядка трех тысяч космических аппаратов нано- и микрокласса (массой до 50 кг), что в разы больше, чем ожидаемое количество более “серьезных” орбитальных запусков.
Следует отметить, что существуют различные трактовки градации спутников по массе [7], в том числе, с учетом энергопотребления и цены. Имеется ряд работ, в которых отмечается закономерность между массой спутника его энерговооруженностью и сроком активного существовании [например, 8, 9].
Объем индустрии рынка только спутников, масса которых составляют 1–100кг, прогнозируется уже в 2019 г. до $1,9 млрд. [7]. Спутники в интервале 100–1000 кг сегодня действуют в составе многоспутниковых группировок систем спутниковой связи и передачи и данных на низких круговых орбитах (в том числе система “Гонец”), но особую перспективу их использования связывают с многочисленными проектами LEO-HTS [10, 11]. Реализация этих проектов требует инвестиций уже в десятки миллиардов долларов.
1. Миниатюризация бортовых систем, появление новых схемотехнических решений, включая связанных с многоспутниковыми группировками, что позволяет кардинально снизить массу аппаратов и решать с помощью МКА задачи, ранее традиционно решавшиеся “большими” аппаратами, прежде всего в области дистанционного зондирования Земли и связи (пример – российский МКА “Аист”, разработанный Самарским государственным аэрокосмическим университетом (СГАУ) совместно с промышленным предприятием АО “РКЦ “Прогресс”).
МКА относительно недороги, легко модифицируются для решения определенной задачи, создают меньше радиопомех, обеспечивают значительное увеличение оперативности получения потребителем данных наблюдения за счет создания необходимой по численности группировки малых аппаратов. Их применение способствует уменьшению рисков, связанных с запуском на орбиту и работой в космосе, снижая финансовые потери в случае отказа или утраты такого спутника.
2. Малые КА позволяют отрабатывать новые технологии и эффективно решать отдельные конкретные задачи космических исследований в различных областях науки (астрономия, астрофизика, космическая физика, физика Солнца, планетоведение, космическая биология).
3. Малые аппараты меньшей массы (нано- и пр.) служат “демократизации” космической деятельности, позволяя, в частности, реализовывать космические программы университетов. В этом направлении работают несколько российских вузов (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнёва и ряд других). Самый демократичный из современных проектов – это проект “Маяк” Московского политехнического университета, предусматривающий развертывание на орбите тетраэдра из светоотражающей пленки.
4. С помощью МКА в качестве “пилотных проектов” организации малого бизнеса и в целом некосмические компании имеют возможность войти на космический рынок. В целом направление МКА можно рассматривать как один из базовых движущих факторов появления и развития нового поколения коммерческих космических проектов и компаний, объединенных общим условным обозначением NewSpace или Space 2.0.
Несмотря на достаточно широкий размерный и функциональный диапазон, в целом современные МКА можно отнести к одной из трех групп.
1. Спутники с массой порядка сотен килограммов, реально решающие задачи “больших” КА (как в интересах государства, так и в интересах коммерческих потребителей). Сюда относятся, например, российские КА “Гонец-М”, близко примыкают “Канопус” (600 кг) и “Аист-2Д” (530 кг), целый ряд прикладных аппаратов на базе платформ SSTL 100–300+.
2. Спутники в стандартном форм-факторе “Кубсат” до 12U, а также несколько альтернативно заявляемых форм-факторов (например, спутники “ТаблетСат” российской частной компании СПУТНИКС) – разрабатываемые университетами, частными компаниями, инициативными сообществами, как в образовательных целях, так и с коммерческой перспективой. Наиболее известное коммерческое приложение формата – КА Dove (форм-фактор 3U) компании Planet Labs. Спутники-“Кубсаты” – это самый популярный сегодня “демократический” формат в спутникостроении. Из более чем четырехсот “Кубсатов”, запущенных с 2000 г., 42% – коммерческие аппараты разного назначения и 31% – университетские спутники. Остальные запуски произведены в интересах правительств разных стран.
3. Промежуточная группа – спутниковые системы более продвинутого технологического уровня, чем “Кубсат”, но еще не вышедшие на уровень полноценных прикладных решений. Как правило, это научные либо технологические аппараты, хотя и в этих сегментах “Кубсаты” начинают доминировать.
Технологические МКА используются для отработки и демонстрации технологий, например, для отработки и сертификационных испытаний систем и узлов ракетно-космической техники. Научные МКА могут быть использованы для проведения исследований в области солнечной и космической физики, планетологии, астрономии и астрофизики, науки о Земле, космической биологии. С их помощью осуществляют исследование границ земной атмосферы, суточные и глобальные наблюдения земных процессов, которые изменяются в течение дня, исследование физико-химических свойств поверхности планет или их атмосфер, исследование выживания и адаптации организмов к космическому пространству (к микрогравитации и к высоким уровням радиации). Пример – научный КА “Чибис”.
Малые космические аппараты в силу большей доступности (прежде всего, с точки зрения экономики проекта) весьма популярны в частном секторе. Первые космические аппараты, созданные в России полностью частными компаниями при поддержке фонда “Сколково” и запущенные летом 2014 г., были построены именно на базе микроспутниковых платформ. В первую очередь, создание таких аппаратов – это поиск ответа на вопрос: можно ли в наших условиях, вне традиционной кооперации предприятий “большой” ракетно-космической промышленности, создать космический аппарат, реально работающий на орбите. Несмотря на то, что частные разработки также проходят соответствующую сертификацию и лицензирование, в силу несколько меньших экономических рисков при создании коммерческих МКА может использоваться менее затратная элементная база, чем сертифицированная по уровню Space, появляется возможность проведения летной отработки на нескольких промежуточных образцах.
В образовательном процессе малые спутники широко используются потому, что позволяют одновременно привить студентам практические навыки, получить знания о реально существующем производственном цикле создания космической техники, ощутить сопричастность к реальной космической деятельности. Реализация проектов в этом направлении всегда представляет собой взаимодействие промышленности и вузов, постоянный поиск компромисса между эффективностью и качеством производства и необходимостью выполнения как можно большей части работ студентами вуза.
При этом коммерческий сегмент часто оказывается тесно связанным с образовательным. Так, компания SSTL (Surrey Satellite Technology Limited) из небольшой лаборатории в составе Университета Суррея (Великобритания) выросла в ведущего в мире разработчика и производителя малых спутников различного назначения (дистанционное зондирование Земли, навигация, телекоммуникации). Компания нацелена уже не только на микроспутники, но и на аппараты массой до 1 т. Специалисты SSTL занимаются разработкой коммерческих платформ массой от 50 до 300 кг. Кроме того, SSTL участвует и в разработке российских аппаратов (“Канопус-В”, “Ломоносов”).
Российская компания “Спутниковые инновационные космические системы” – российская частная компания-производитель спутниковых компонент и технологий для МКА, а также сервисов на их основе, была преобразована из отдела спутниковых технологий ООО “ИТЦ “СКА-НЭКС”, изначально создаваемого для разработки системы ориентации и стабилизации микроспутника “Чибис-М” по заказу Института космических исследований РАН. В настоящий момент компания активно работает в образовательном сегменте.
Кроме того, образовательные проекты по МКА представляют собой удобную платформу для реализации международного сотрудничества. Удачным примером является программа QB50, европейская инициатива по исследованию атмосферы, включающая запуск 50 спутников стандарта CubeSat. В проекте участвуют команды, представляющие образовательные учреждения (возможно, в сотрудничестве с коммерческими фирмами) из более чем 20 стран (Австрия, Австралия, Канада, Бразилия, Китай, ЮАР, Чехия, Германия, Испания, Финляндия, Франция, Великобритания, Греция, Израиль, Индия, Корея, Литва, Нидерланды, Турция, Тайвань, Украина, США, Румыния, Португалия и Россия). Программа QB50 со своей стороны финансирует 75% затрат, университеты, помимо собственно участия в разработке спутника, софинансируют проект.
Известны и интересны планы взаимодействия российского и китайского космического сообщества по тематике МКА. Соответствующая программа реализуется, в частности, в рамках Ассоциации технических университетов России и Китая (АТУРК). В Программе запуска малых спутников АТУРК принимают участие 10 университетов: МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАИ, Самарский аэрокосмический университет, Амурский государственный университет, Уральский федеральный университет, Harbin Institute of Technology, Northwestern Polytechnical University, Beihang University, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics и Xi'an Jiaotong University. Предполагается, что первый российско-китайский студенческий спутник Partner будет запущен в 2020 г. Надеемся, что это сотрудничество будет расширяться.
В начале 2010-х гг. тема микроспутников приобрела значимое коммерческое измерение. Одна за другой о создании прикладных микроспутниковых группировок заявили крупнейшие компании инфокоммуникационного рынка.
Вновь созданная компания OneWeb получает финансовую поддержку от Virgin Galactic, SoftBank, Coca-Cola и собирается создать к 2019 г. систему глобального доступа в Интернет с использованием около 650 космических аппаратов массой примерно по 150 кг, строить которые планируется совместно с Airbus Defence and Space, а запускать – с использованием в том числе и российских ракет “Союз”. Всемирно популярный SpaceX после нескольких лет активного обсуждения своей роли в развертывании прикладных спутниковых группировок 15 ноября 2016 г. направил в американскую Федеральную комиссию по телекоммуникациям (FCC) заявку на создание “негеостационарной спутниковой системы, предоставляющей услуги фиксированной спутниковой связи в диапазонах Ku и Кa” [12]. В начале 2015 г. заявлялось, что для финансирования проектов с использованием проектов МКА привлечены средства Google и финансовой корпорации Fidelity в размере $1 млрд. В 2013 г. была опубликована информация о развертывании группировки ДЗЗ (покрытие с пространственным разрешением 3–5 м в режиме времени, близком к реальному) на базе 3U-”Кубсатов” Flock/Dove и унаследованных от компании BlackBridge спутников RapidEye компания Planet Labs. Многоспутниковые прикладные группировки – это отдельная тема.
Остановимся на общих аспектах развития космических средств и сопутствующих технологий, развитие которых обусловлено ростом микроспутникового рынка.
Несмотря на широкое вовлечение в программы создания “Кубсатов” образовательного сообщества, сегодня эта сфера космической деятельности – вполне коммерческая индустрия со своей специфической цепочкой переделов (value chain), обеспечивающей развитие не только спутниковых, но и сопутствующих технологий, а также сверхлегких средств выведения.
Темпы роста нижнего сегмента рынка малых космических аппаратов (до 50 кг) высоки. Как ожидается, в 2017–2020 г. ежегодно будет запускаться от 300 до 500 микроспутников, при этом более половины из них придется на многоспутниковые группировки ДЗЗ. Следует отметить, что акценты будут смещаться в сторону спутников размером от 1 до 50 кг. По оценкам Spa-ceWorks Enterprises, с 2016 по 2022 год будет запущено около 3000 микро- и наноспутников. Кроме того, увеличится представительство коммерческого сектора в этом сегменте (около 70% планируемых к запуску микро- и наноспутников). В сегменте наноспутников популярным становится подсегмент 4–6 кг (более 60% планируемых к запуску наноспутников).
Способствуя развитию NewSpace и обеспечивая широкий доступ в космос, массовое распространение МКА в то же время несет в себе определенные угрозы и риски. Очевидно, что частные компании и университеты не всегда обладают достаточным опытом и уровнем развития технологий, чтобы обеспечить создание МКА на том же уровне, что государственные предприятия и уже занявшие рынок коммерческие компании, поэтому обвальный рост числа “непрофессиональных” космических аппаратов может привести к существенному снижению качества орбитальных группировок в целом и росту “мусорной опасности”.
С другой стороны, завышение требований по сертификации и лицензированию “убивает” саму идею доступных форм-факторов космических аппаратов, специально рассчитанных на появление новых игроков в сфере космической деятельности. Выход в использовании технических решений, снижающих риск образования долгоживущего мусора и поиск оптимума в регулировании. При этом одним из наиболее популярных аргументов сторонников широкомасштабного использования МКА нано- и микроформата, а в последнее время и развертывания многоспутниковых прикладных группировок на их основе, заключается в том, что на низких орбитах космические аппараты без коррекции орбиты сравнительно быстро входят в атмосферу, не пополняя тем самым ряды космического мусора. Соответствующие дискуссии ведутся сегодня, в частности на базе Межагентского координационного комитета по космическому мусору (IASDCC), в деятельности которого активно участвует и Роскосмос.
В 2007 г. Комитетом ООН по мирному использованию были сформулированы Руководящие принципы Комитета ООН по использованию космического пространства в мирных целях по предупреждению образования космического мусора [13], где основной упор делается на “профилактических мерах”, позволяющих свести к минимуму образование мусора при штатной и нештатной эксплуатации космических аппаратов. В части микро- и нано-сутников активно обсуждаются различные решения, позволяющие радикально ускорить их сход с орбиты, в том числе – различные электродинамические и “парусные” схемы. Хороший обзор приведен в работе [14], откуда мы заимствовали таблицу 2.
В целом вопросы специального нормативного правового регулирования сферы создания и применения малых космических аппаратов (в силу их доступности и повышенного “мусорного” потенциала) периодически поднимаются (уже в 2015 г. IASDCC выпустил меморандум, посвященный проблематике создания многоспутниковых прикладных группировок [15]), но в настоящий момент соответствующий международный консенсус еще не сформирован, и прежде всего – в силу двойственного характера самой проблемы, отсутствия общего понимания целесообразности или нецелесообразности ограничений или дополнительного регулирования (включая формирование разрешительного международного режиме запусков) “микроспутниковой” деятельности на современном этапе развития космической деятельности в целом. Интересный обзор на эту тему представлен в работе [16].
Растущая популярность МКА обуславливает необходимость развития соответствующей инфраструктуры, в том числе в части запусков. В настоящий момент на мировом рынке коммерчески привлекательными являются попутные запуски на средних и тяжелых ракетоносителях. Соответствующие направления бизнеса развиваются в американской компании Nanoracks и в российской фирме “Главкосмос”. 20 микроспутников были выведены в космос при первом запуске китайской РН Long March 6 в 2015 г.
У России имеются технические возможности в части попутного выведения МКА при запуске основных полезных нагрузок и в части доставки на транспортных кораблях “Прогресс”. При этом развиваются возможности для “демократизации” запусков МКА. Так, Роскосмос в рамках соглашения с инновационным центром “Сколково” планирует предоставлять возможности для запуска МКА образовательным учреждениям и малым инновационным компаниям.
Растущие потребности в запусках МКА, в первую очередь – прогнозируемое развертывание многоспутниковых коммерческих группировок на базе аппаратов форм-фактора Cube-sat, на протяжении нескольких последних лет вызвали к жизни целый ряд проектов новых средств выведения малого и сверхмалого класса, специализированных на выведении МКА. Среди них – Electron, LauncherOne, SOAR, Super Strypi, M-OV, Alpha 400, Bloostar, GOLauncher 2, российский проект “Таймыр”. Следует при этом отметить, что при современном состоянии рынка пусковых услуг как попутный, так и групповой запуск малых космических аппаратов при прямом сравнении оказывается эффективнее, чем использование специализированного сверхмалого носителя, даже если поверить самым оптимистическим прогнозам их разработчиков. Тяжелые и средние носители обеспечивают выведение полезных нагрузок при цене от $3000 за 1 кг полезного груза (хотя, понятно, это не означает, что трехкилограммовый микроспутник будет запущен ровно за $9000 – цена зависит от массы полезной нагрузки нелинейно); в диапазоне от $3000 до $10000 присутствует до десяти различных предложений. С другой стороны, при использовании перспективной специализированной сверхлегкой ракеты стоимость килограмма полезной нагрузки исчисляется десятками тысяч долларов. Однако разработчики сверхмалых носителей приводят свои доводы, обосновывающие их целесообразность.
По мнению российской компании “Лин Индастриал” – разработчика сверхлегкого носителя “Таймыр”, – существует три основных причины, по которым дорогие “индивидуальные” запуски могут оказаться предпочтительнее групповых или попутных [17]. Во-первых, при групповых запусках срок запуска полностью определяется графиком готовности основной полезной нагрузки, и малый КА, сколь бы он ни был ценен, например, для операторов многоспутниковой прикладной системы, как правило, вынужден “ждать у моря погоды”. Во-вторых, орбита запуска определяется тоже потребностями основного аппарата. В-третьих, существуют технические ограничения – например, как правило, для попутных запусков не разрешается использовать на малых КА так называемые “высокоэнергетические” устройства – химические ракетные двигатели, пиросредства, баллоны со сжатыми газами. В конечном итоге разработчики сверхмалых ракет сравнивают свои перспективные услуги с услугами такси – по сравнению с перевозками автобусом или троллейбусом, которые, несомненно, дешевле. Отметим, что именно сложившаяся к началу 2010-х гг. ситуация позволяет существовать подобной системе аргументации наряду с обнародованием планов развертывания прикладных микроспутниковых группировок, “ракетный бизнес” стал привлекательным – хотя бы теоретически! – для команд-стартапов и приверженцев “Космоса 2.0”. В этом смысле ситуация является в определенном смысле “самораскручивающейся”: микроспутниковые проекты вдохновляют частный бизнес на анонсирование все новых проектов специализированных средств выведения, а инициаторы новых микроспутниковых проектов ссылаются на грядущее радикальное снижение пусковых услуг в том числе и за счет выхода на рынок нынешних “ракетных стартапов”. Как положено, в данном случае критерием истины выступит практика – нужно подождать несколько лет.
Если бы малых космических аппаратов, в особенности микро- и нанокласса, не было – их бы следовало изобрести. Дело даже не в том, что весьма уважаемые гиганты инфокоммуникационного бизнеса вплотную приблизились к развертыванию серьезных многоспутниковых группировок – хотя и это очень важно. Развитие малых аппаратов резко снизило барьер входа на рынок космических средств, вначале – для университетов (что не только кардинально изменило подход к образовательным программам, но и положило начало феномену SSTL), а затем – для малого и венчурного бизнеса (что, по большому счету, спровоцировало нынешний “Космос 2.0”). Несомненно, такое снижение барьера – серьезный вызов и для правовых основ космической деятельности, и для обеспечения космической безопасности, борьбы с космическим мусором. Однако даже наиболее последовательные сторонники развития космической техники исключительно в рамках “профессиональной лиги” не повторяют сегодня известной фразы тогдашнего главы IBM, сказанную им в 1943 г. о том, что в мире есть рынок примерно для пяти компьютеров.
Сегодня никто принципиально не оспаривает прогнозов роста околоземных микроспутниковых группировок и постепенного замещения малыми аппаратами более серьезных классов нынешних многотонных гигантов по целому ряду направлений космической деятельности. Нужно только пройти между двумя крайностями: с одной стороны – не допустить бесконтрольного роста населенности наиболее популярных орбит без принятия жестких, профессиональных мер борьбы с их замусориванием, а с другой – проявить здравый подход и не довести дело до роста “микроспутникового пузыря” по образцу “пузыря доткомов” второй половины 1990-х гг.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2017
Посещений: 18699
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
