Что пошло не так с нашим космическим запуском: подготовка и вывод материнской «орбитальной станции» на орбиту

Та самая орбитальная станция

Мы запустили собственный спутник. Точнее, в группировке есть ещё один, который выступил резервным, но наш в запуске один. Это 2U-пико-спутник размером с полпачки молока. Чтобы его запустить, надо:

1. Достать или разработать аппаратную платформу. Обычно это корпус, солнечные батареи, аккумуляторы, контроллер питания, двигатели для остановки вращения (у нас магнитные катушки, которые отталкиваются от магнитного поля Земли), базовая система связи.
2. Разработать полезную нагрузку для этой платформы. У нас — камера, веб-сервер и расширенная система связи.
3. Написать софт под эту полезную нагрузку. Особенность в том, что если поставить на спутник Linux и где-то будет конфликт зависимостей, то надо будет доехать и перезагрузить. А это немного проблематично. Пишется два набора софта: чуть ли не конечные автоматы для критических операций и высокоуровневый для полезной нагрузки.
4. Провести испытания на температуру, радиацию, вибрацию, удар, балансировку массы.
5. Установить всё это в спутник, из которого они будут вылетать. В нашем случае это 3U-кубсат, 3-й юнит — ангар наших пико-спутников.
6. Установить космическую станцию (кубсат) в «салазки» в корабле.
7. После выхода на орбиту оттолкнуться пружиной от корабля и вывести кубсат на орбиту. Через полчаса ожить, установить устойчивую связь с кубсатом, провести испытания и зарегистрировать его как спутник.
8. Выпустить рой из «ангара» (третьего юнита) и стать группировкой из 6 отдельных аппаратов. Установить связь, провести испытания, зарегистрироваться как самостоятельные спутники.
9. Подать питание на борткомпьютер полезной нагрузки и начать выполнять миссию.

Стадии 1–8 мы прошли успешно. На стадии 9 случилась авария, и, возможно, борткомпьютер будет висеть в бесконечном цикле пару лет, пока спутник не деградирует по питанию и не перезагрузится.

В общем, давайте разберём всю ситуацию. Пока это первая часть разбора, потому что он довольно сложный.

Чтобы подробно объяснить происходящее, сначала нужно пояснить немного базовых вещей, иначе не будет контекста. Собственно, большая часть этой публикации — как раз разбор того, как готовилась миссия.

▍ Что такое кубсат и зачем он нужен

Кубсат — это типовой форм-фактор спутника, который задаётся внешними размерами. Весь их смысл в том, что большие спутники очень тяжело загружаются в корабли, очень тяжело испытываются и очень сложно выводятся на орбиту. С развитием технологий многие вещи миниатюризировались и появилась идея делать стандартные слоты для спутников, куда можно запихать что угодно типовое и выкинуть его по дороге.




То есть разгонный блок, который выводит космические аппараты на орбиту, просто разбрасывает кубсаты. Условно у него есть типовая коробка, которую он выбрасывает. Что в этой коробке — никого не волнует, дальше жизнь спутника — это его личное дело.

Требования к кубсату очень простые:

— Внешние размеры под стандартные юниты. Они ставятся в корабль как в салазки сервера. Можно делать двухюнитовые кубсаты и 3U-кубсаты. Станция, которая доставила спутник, как раз 3U.

— Баланс массы. Когда корабль выпихивает кубсат из пускового контейнера, это делается механически пружиной. Чтобы кубсат не заклинило по дороге, центр тяжести не должен оказаться где-то в совсем неожиданном месте, а должен лежать по оси действия силы, создаваемой пружиной.

— Общие характеристики по массе для общей развесовки корабля. Вместе с кубсатом вы подаёте его характеристики, и дальше он правильно размещается в корабле. То есть если вы решите заполнить кубсат свинцом или ураном, наверное, у вас будут сложности с погрузкой.

— Физический разрыв питания, куда можно вставить ремувку до запуска. Аккумуляторы кубсата обычно заряжаются до запуска, но тот месяц, который он проводит в корабле перед пуском, он лежит физически обесточенный, то есть цепь состоит из изолированных аккумуляторов. Перед запуском удаление ремувки физически замыкает эту цепь.

— Ещё один разрыв питания. Спутник не может лететь включённым на орбиту по правилам, он включается при выталкивании из пускового контейнера. В нашем случае это концевые выключатели. Кубсат включается при отделении от корабля, пико-спутники — при отделении от кубсата.

Запустить 1U-кубсат стоит примерно миллиона четыре рублей, что достаточно дёшево, поэтому эту возможность очень широко используют коммерческие компании и университеты.

▍ Что такое платформа кубсата

Это корпус и базовые системы. Можно самому спаять такое в мастерской, а можно купить. Это что-то вроде готового корпуса для десктопного компьютера. Питание есть, границы есть, осталось напихать туда плат.

В нашем случае платформу сделала компания Геоскан.

Наша готовая платформа представляет собой корпус, солнечные батареи по почти всей внешней поверхности корпуса, контроллер питания, аккумуляторы, антенну и систему связи, а также набор датчиков и магнитные катушки для позиционирования. Спутник получает начальный импульс при выбрасывании из корабля и может начать вращаться относительно Земли. Это вращение хорошо бы остановить, поэтому используются либо двигатели коррекции, либо электромагниты, которые позволяют оттолкнуться от магнитного поля. Усилие получается слабое, но вполне действенное. Дальше по мере эксплуатации спутник постоянно осциллирует туда-сюда, потому что всё равно так или иначе медленно закручивается из-за разных ситуаций, включая неравномерности гравитационного поля.

В эту платформу можно напихать свою полезную нагрузку.

Объём нашего 3U-кубсата 4236 кубических сантиметра, масса 4205 г, высота орбиты 500-600 км, точность управления ориентацией по крену/тангажу/рысканью 5º, мощность (средняя орбитальная) 6,5 Вт, расчётный срок службы 3 года.

▍ Полезная нагрузка

Это то, что вы возьмёте на борт. Можно взять какое-то растение, можно взять образец какого-то материала для физических или химических опытов, можно поставить камеру и снимать нашу планету, можно обвешать спутник датчиками, можно запустить автомобиль, можно положить записку тем, кто на орбите. Применений масса. Мы установили туда мини-сервер, чтобы у нас была маленькая орбитальная серверная, и туда можно было хоститься. Нормальный вариант для выбора ЦОДа, 15 на Земле в разных географиях, один чуть подальше.

Полезная нагрузка разрабатывается точно так же, как делается обычный коммерческий заказ на электронику, но есть нюансы.

Во-первых, вибрация и удары при запуске и отделении ступеней. Это почти не меняет ситуацию, платформа грузится в пусковой контейнер, где есть пружина для запуска. Ещё пусковой контейнер обычно проложен антивибрационной защитой, поэтому про вибрации сильно много думать не надо. Обычные крупные спутники так просто не проложить, потому что они не выстреливаются из контейнера, а сразу выходят на орбиту целиком. Но от кубсата всё равно может что-то отломаться и размолоть остальные кубсаты в том же контейнере, поэтому испытания важны.

Во-вторых, температуры. На месте то холодно, то жарко, тепло от электроники отводить сложно — не так, как на Земле, потому что отсутствует среда и нет конвекционного теплообмена, только кондукционный. А больше всего проблем именно с термосбросом, он делается медленно, а весь корпус — фактически теплоаккумулятор. Тепла электроника должна давать очень мало, либо надо заранее продумать, что с ним делать.

Если в двух словах, то активных средств контроля температуры на таких маленьких аппаратах обычно нет. Применяются общие соображения для увеличения теплопередачи. Иногда, правда, ставят нагреватели. У нас они есть, но обычно хватает и того тепла, что уже есть от электроники.

Все внутренние платы зелёные или чёрные, все внешние белые. По возможности выбирается компонентная база на диапазон температур от -40°C до +125°C.

В-третьих, радиация. Мы летаем до пояса Ван Аллена, на орбитах до 1000 километров можно даже держать людей в чём-то вроде МКС. Практика наработки современной коммерческой электроники на отказ — несколько десятков лет. То есть если мы берём что-то для завода, на орбите в этом плане почти можно не беспокоиться. Мы взяли именно промышленную плату, аналог Распберри Пи.

В-четвёртых, питание. Спутники такого размера всегда работают в условиях дефицита питания. Аккумуляторы надо греть, иначе они уснут навсегда. Ну и, кстати, электростатическая защита тоже важна.

Получилось, что мы делали разработку решения как отдельный проект.

В общем, обычно можно купить готовую коробку, но не полезную нагрузку. Хотя можно заказать и разработку полезной нагрузки под вас тоже, но это будет выделенный проект. В нашем случае мы обратились в «Малые космические системы» и «Стратонавтику», последние разработали «орбитальную станцию» из трёхюнитового кубсата. Ещё были нужны: ангар для роя пико-спутников, пусковая система пико-спутников, платформы пико-спутников и интеграция с нашим борткомпьютером. МКС разработал и изготовил все тайнисаты, кроме одного.

Материнский кубсат сделала Стратонавтика. МКС разработал «ангар». Стратонавтика его изготовила и интегрировала к платформе Геоскана. Интеграция шла вместе с «МКС». Стратонавтика совместно с Геосканом так модифицировали корпус, чтобы на КубСат/СтратоСат-ТК-1 можно было установить «Ангар»/Пусковой контейнер тайнисат.

За год до пуска всё это в сборе поехало вместе со спецификациями, 3D-моделью и документами к пусковому оператору. НПО Лавочкина посчитало весь запуск как ответственные за «Фрегат», ящик делали и всё считали «Аэроспейс кэпитал». Дальше это всё пошло на фактический запуск.

Весь смысл запуска спутников разными университетами — в разработке полезной нагрузки. То есть это обучение и наука. Они не хотят брать готовые стандартные решения, а самостоятельно делают разные варианты с тем, чтобы когда понадобилось что-то практическое, можно было либо заказать у них, либо был опыт разработки. В большинстве кубсатов полезная нагрузка — это эксперименты, какое решение как работает в реальных условиях. Даже на наших 6 пико-спутниках разная электроника как раз по этой причине.

Самые распространённые «типовые» решения — это всего лишь десятки единиц на тысячу действующих спутников.

▍ Софт

Тут полный зоопарк, даже больший, чем в случае полезной нагрузки. Там хотя бы готовые модули вроде камер можно достать готовыми.

Для тех, кто летит испытывать железо и не хочет сильно вкладываться в софт, есть опенсорсное сообщество libre.space, которое делает базовый фреймворк. Не сказать, что он там прямо полный и применимый до конца, но хорошая база уже есть.

Но обычная ситуация — это свой собственный софт под себя.

На орбите сейчас можно встретить что угодно. Для каких-то задач достаточно конечных автоматов на простых компонентах, вообще без ПО. Для каких-то задач используются простые прошивки электроники. Для более сложных борткомпьютеров уже обычно выбирается какой-то дистрибутив Linux, обрезается до предела и запускается.

Самое опасное то, что чем меньше софта написано вами, тем меньше вы понимаете, как он работает. Если не получается объять всё вниманием, то есть риски, что придётся когда-нибудь дойти ногами и попытаться перезагрузить вручную. В итоге отказ приводит к неработоспособности аппарата.

Современное решение — два компьютера. Один для критичных операций вроде телеметрии и связи написан на чём-то со статической типизацией и кучей понятных проверок. Второй уже содержит высокоуровневый дистрибутив ОС (в нашем случае Linux), где есть научная или коммерческая прикладная программа. В случае чего первый простой компьютер может перезагрузить второй или сделать с ним что-то ещё. Можно заложить механизмы перепрошивки на борту, это дополнительный уровень сложности.

Если виснет шина, то это конец. Рассмотрим гипотетический пример одного спутника, который висит на орбите, пока висит на орбите. Если он когда-нибудь перезагрузится, то с ним можно будет работать. Владельцы спутника ждут, пока замёрзнут аккумуляторы, деградируют солнечные панели или случится что-то ещё, что позволит его перезагрузить без поездки на место.

Софт тестируется только вместе с железом. Главная стоимость спутника — это его испытания и запуск, поэтому даже экзотическое железо проще произвести дважды и получить один космический аппарат и одну его наземную копию. Для стейджингового спутника (технологического образца) не обязательно делать корпус, можно прибить всё хоть к доске. В остальном отличий нет.

Прототип сохраняется и дальше, потому что, прежде чем давать какой-то сигнал на спутник или перепрошивать что-то на орбите, хорошо бы проверить это на Земле. Собственно, это и делается до прода на копии.

▍ Пико-спутники

Если кубсат можно считать виртуальной машиной на сервере-корабле, то это контейнеры внутри виртуальной машины. Миниатюризация сделала следующий виток, и стало можно укладывать в маленький корпус то, что было в кубсате.


Пико-спутник принципиально не отличается от кубсата. У него такая же архитектура. Под них нет готовых распостранённых платформ, ПО, но это вопрос времени.

Важные отличия в геометрии. Во-первых, питание: площадь поверхности меньше, поэтому нужно или думать про очень жёсткий контроль потребления вроде «три часа заряжаемся, 10 минут работаем», или нужно увеличивать площадь спутника после запуска, выдвигая дополнительные панели.

Во-вторых, механика. Она там мелкая и особенно быстро выходит из строя. Если есть что-то вращающееся — провращается оно ровно до высыхания смазки, это месяцы. Для пико-спутников нет готовой из коробки механики, поэтому переделывается механика, разработанная для земных условий. Грубо говоря в обычном моторе меняется смазка.

В-третьих, они хуже греются из-за габаритов и питания. Коллеги из «МКС» говорят, что в этом рое 2U-пико-спутники отлично себя чувствуют, а вот 1U подмерзают. Нужны не стандартные солнечные панели, а новые дорогие высокоэффективные, если мы хотим иметь достаточно питания для этого.

И, наконец, антенна. Она чисто в силу соотношения с длиной волны в идеале должна иметь размер больше спутника. В нашем случае решение элегантное: пружина для старта с материнской орбитальной станции (кубсата) — это свёрнутая антенна. При открытии порта она разворачивается и выталкивает спутник. У нас они из нитинола с памятью формы, это очень интересное инженерное решение от «Малых космических систем», прямо гениально крутое.

▍ Итого

Наша платформа называется «СтратоСат-ТК1», это наноспутник формата CubeSat. Он разработан «Стратонавтикой». В третьем юните его полезная нагрузка — пикоспутники, которые разработаны «Малыми космическими системами» и для проведения образовательной деятельности в рамках проекта Space-π программы «Дежурный по планете» Фонда содействия инновациям. Платформы пико-спутников оборудованы независимыми системами электропитания, УКВ-радиотрансиверами, вычислительными модулями и фотокамерами. В полезную нагрузку материнского ТК1 входят 3 камеры.



Размер блока — грань 5 см. Два спутника двухюнитовые.

ТК1-А сделан челябинской школьной командой «Импульс» дворца пионеров и школьников им. Н.К. Крупской. У него позывной RS45S, он нужен для работы с радиолюбителями в телеграфном режиме.

ТК1-Б (разрабатывался при участии ГБОУ «Бауманская инженерная школа 1580»), ТК1-В, ТК1-Г образовательные, плюс на них проходит испытание различное оборудование «Малых космических систем». ТК1-Д и ТК1-Е — это наш ЦОД на орбите (естественно, его нельзя использовать как полноценный ЦОД, фактически, только для обучения), второй — спутник резерва с другим оборудованием, который тоже несёт мини-компьютер, там можно запускать программы школьников.

Изготовителем, собственником и конечным пользователем КА «СтратоСат-ТК1» является ООО «Стратонавтика», г. Москва. Изготовителем платформы КА «СтратоСат-ТК1» является ООО «Геоскан», г. Санкт-Петербург. Полезная нагрузка КА «СтратоСат-ТК1» разрабатывается при участии ООО «Стратонавтика» г. Москва, ООО «Малые космические системы» г. Москва, нами RUVDS, командой «Импульс» — Дворец пионеров и школьников им. Н.К. Крупской, г. Челябинск, ГБОУ «Бауманская инженерная школа 1580». КА будет управляться ООО «Стратонавтика» и ООО «Геоскан» с использованием собственных станций космической связи и станций организаций партнёров. КА «СтратоСат-ТК1» запущен на солнечно-синхронную орбиту высотой 500–600 км на ракете-носителе «Союз-2» с разгонным блоком «Фрегат» в контейнере «Аэроспейс кэпитал».

Ссылки:

• Страница с хрониками миссии: sputnik.rucloud.host.
• Трансляция запуска Роскосмоса: www.youtube.com/watch?v=iyb5H4W6n7w.
• Про связь: habr.com/ru/companies/ruvds/articles/747312.
• Пост про испытания: habr.com/ru/companies/ruvds/articles/741750.
• По надёжности ещё есть хорошая статья: habr.com/ru/articles/739678.
• И презентация руководителя направления наноспутников компании Спутникс: keldysh.ru/amadeos2021/AMADEOS_Zharkikh_Electronics.pdf. По этой презентации есть доклад: rutube.ru/video/5740247343da52020d3268af6364f4a8.
• Спутник интегрируется в пусковой контейнер: vk.com/video-213946123_456239024.
• После этого контейнер интегрируют к разгонному блоку на космодроме: t.me/aerospacecapital/152.
• Рендер Стратонавтики про выход из кубсата: t.me/ruvds_community/394.
• Старая публикация: habr.com/ru/companies/ruvds/articles/650031.
• С этого запуска много материалов в группе Space-π: t.me/project_spacepi/382.
• Первая наша публикация про сервер: habr.com/ru/companies/ruvds/articles/707696.
• Лучше всего описаны возможности пико-спутников в статье про другой форм-фактор PocketQube вот здесь: link.springer.com/article/10.1007/s12567-020-00300-0. Если в двух словах, то в таком форм-факторе уже существуют связные аппараты, аппараты для фотографирования Земли в низком разрешении, но достаточном для метеорологии, технологической отработки микроэлектроники и отдельных узлов. Плюс для целей образования инженеров и получения опыта проектирования космических миссий.
• Про теплоотвод маленьких спутников хорошо расписано в статье habr.com/ru/articles/739678.
• Про солнечные панели прям отдельно писали: habr.com/ru/companies/ruvds/articles/721198.

Собственно, вот сейчас вы представляете общую картину миссии.

Через несколько часов будет вторая часть с, собственно, продолжением про аварию.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх