Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
В 2006 году в МГТУ им. Н.Э. Баумана был создан Центр управления полетами малых космических аппаратов (ЦУП—Б), о функционировании и работе которого мы подробно рассказали в одной из наших статей.
Центр управления полетами МГТУ является важным элементом космического образования. С его помощью можно выполнять весь комплекс задач управления полетом МКА, проводить научные и технологические эксперименты, оперативно анализировать служебную информацию и научные данные. ЦУП-Б оснащен средствами обработки телеметрической информации, её хранения и предоставления потребителям.
ЦУП-Б был создан в рамках выполнения научно-образовательного проекта создания МКА «Бауманец» и «Бауманец-2». В настоящее время центр используется для работы с орбитальной группировкой наноспутников «Ярило № 1» и «Ярило № 2», разработанной студентами, аспирантами и молодыми специалистами МГТУ им. Баумана. 28 сентября 2020 года с космодрома Плесецк наноспутники «Ярило» были выведены на орбиту Земли.
Конструкция спутников
Ярило — группировка из 2-х наноспутников «Ярило № 1» и «Ярило № 2» для исследования Солнца и солнечно-земных связей. Особенностью миссии является наличие на аппаратах экспериментальной раскрываемой конструкции типа «солнечный парус», с помощью которого планируется построение группировки и пассивный увод с орбиты. Данный проект отличается значительной образовательной составляющей — все проектно-конструкторские работы, разработка аппаратов и их служебных систем, изготовление, экспериментальная отработка, интеграция полезной нагрузки, подготовка к запуску, управление и организация работ осуществлена студентами, аспирантами и молодыми специалистами — коллективом Молодежного космического центра университета. Накопленные знания, документация, опыт, материальная часть используются для обогащения учебных программ.
Внутренняя компоновка МКА «Ярило»
Полезной нагрузкой на первом аппарате является спектрофотометр для регистрации солнечной активности (разработка Физического института им. П.Н. Лебедева, РАН).
Детектор позволяет осуществлять мониторинг в мягком рентгеновском диапазоне 0,5-15 КэВ, включая наблюдение микровспышек, а также выполнять спектральную диагностику плазмы в исследуемых объектах. Считается, что мы живем в атмосфере Солнца, и потоки солнечного ветра (солнечная плазма, выбрасываемая из Солнца) сильно влияют на Землю. Частота и мощность вспышек на Солнце зависит от 11-летнего цикла солнечной активности. Сейчас Солнце вышло из минимума активности и начинает разгоняться. Во времена, когда Солнце активное, на нем происходят вспышки, которые аппарат и будет изучать. Во время вспышек происходит выброс в пространство по радиусу от солнца массы плазмы, и если Земля, двигаясь по орбите, попадает в этот выброс, у нас случаются геомагнитные бури.
Плазма в магнитном поле Земли «отбрасывается» и вращается вдоль магнитных линий, и в результате попадает в магнитные полюса Земли. В этот момент могут происходить сбои связи и электросетей, или, например, пилоты, пролетая над северным полюсом, получат дозу радиации. Предсказание таких вспышек — основная задача ученых. За 8 минут выброшенные рентгеновские кванты со скоростью света долетают до Земли так, что их можно зафиксировать специальным прибором на орбите. Сам тразиент (выброс плазмы) долетает до Земли через сутки-двое, он летит гораздо медленнее (со скоростью порядка 1000 км/с), что позволяет предпринять необходимые меры заблаговременно.
Полезной нагрузкой второго аппарата является детектор гамма-излучения и заряженных частиц (ДеКоР — разработка Научно исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова). Задачами прибора являются исследование быстрых вариаций потоков электронов в зоне зазора между радиационными поясами, а также изучение динамики потоков частиц и гамма-излучения на низких орбитах в зависимости от геомагнитных условий в диапазоне 0,1-2 МэВ. Он позволяет изучать космическую радиацию, которая негативно влияет на организм живых существ и технику, и создает преграды для дальних космических миссий.
Внешняя компоновка аппаратов
Парус-МГТУ
Помимо полезной нагрузки для исследования космической погоды спутники оснащены двухлопастным солнечным парусом роторного типа, на отработку конструкции которого направлен эксперимент на борту МКС «Парус-МГТУ». Известно, что солнечный свет может толкать и разгонять объекты в космическом пространстве, что наглядно демонстрируется на упрощенной модели, представленной в ЦУПе.
Таким образом студентами был спроектирован солнечный парус — движитель, работающий на эффекте давления электромагнитного излучения Солнца. Он позволяет совершать межорбитальные и даже межпланетные перелёты без затрат рабочего тела (топлива).
Солнечный парус, отрабатываемый в проекте, является бескаркасной тонкопленочной конструкцией, жёсткость которой обеспечивается за счёт вращения паруса вокруг оси симметрии. Предложена концепция двухлопастного роторного солнечного паруса, которая обладает рядом преимуществ по сравнению с другими типами солнечных парусов — простота, возможность сворачивания паруса и др.
Макет спутника с двухлопастным солнечным парусом
Где летают и из чего состоят спутники
Аппараты «Ярило» находятся на низкой околоземной орбите 575 км с наклонением 97,6 градусов. Расчётный срок службы МКА составляет 1 год — это порядка 1500 витков вокруг Земли.
Загрузка аппарата в пусковой контейнер
Для того, чтобы аппаратам правильно определять своё местоположение и ориентироваться в пространстве на борту, функционируют два уникальных бортовых блока датчиков, которые включают в себя магнитометры, акселерометры и солнечный датчик собственной сборки на базе четырехточечного фотодиода FD-20K. Более того на внешней панели аппарата находится ГЛОНАСС приёмник, позволяющий определять координаты и скорость КА с высокой точностью. Также на каждой из внешних граней есть датчики освещенности, по которым тоже можно определить ориентацию, но менее точно.
Еще одна важная техническая задача — ориентация аппарата спектрофотометром на Солнце. Для ее выполнения на борту аппарата установлена пирамидка из четырёх двигателей-маховиков, позволяющая строить трехосную ориентацию, и магнитные катушки, расположенные на каждой из граней аппаратов, что позволяет им формировать магнитное поле различной конфигурации. Магнитная система ориентации одноосная, построена на принципе создания управляющего механического момента за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого катушкой, и магнитного поля Земли. Алгоритмы управления формируют последовательность включения и выключения магнитных катушек. Помимо ориентации на Солнце органы управления позволяют производить закрутку аппарата вокруг своей оси (она нужна, чтобы ленты «Паруса» во время раскрытия были натянуты) и гасить большие угловые скорости аппарата, например, если аппарат закрутился, вылетая из пускового контейнера (режим — демпфирование). Работа системы ориентации отрабатывалась подвешиванием аппаратов на нитке.
Для выполнения всех этих задач требуется большой запас энергии. На борту МКА имеются две аккумуляторные батареи, которые регулярно подзаряжаются с помощью солнечных фотоэлементов, расположенных на внешних гранях. Это происходит, когда аппарат оказывается на освещённой стороне орбиты. Кстати, технологию их монтажа ребята тоже разработали сами. Электроэнергия к системам-потребителям попадает по шинам питания 3.3 и 5 В.
«Мозги» аппарата находятся в Бортовой центральной вычислительной машине, которая управляет всеми устройствами подсистем аппарата согласно циклограмме полёта. БЦВМ устойчива к одному произвольному необратимому отказу, поэтому для устройства была выбрана схема с ненагруженным резервированием двух одинаковых полукомплектов вычислителей. Вычислители базируются на микроконтроллерах STM32F205 STMicroelectronics производства Промышленно-коммерческой компании «Миландр».
Упрощенная функциональная схема аппаратов
Один из самых частый вопрос, который задают команде разработчиков: а есть ли у вас камеры, чтобы получать красивые снимки Земли? Камеры на борту спутника есть, целых две, но они нужны, для того чтобы запечатлеть процесс развертывания солнечного паруса.
Отработка алгоритмов работы двигателей-маховиков
Еще, если внимательно посмотреть на фотографию аппарата, можно заметить, что он двухцветный. На освещенной части орбиты аппарат смотрит на солнце белой стороной, которая отражает свет, а черная сторона интенсивно излучает тепло, и тем самым спутник не перегревается. На теневой части орбиты, где надо повысить температуру аппарата, темная сторона поглощает больше энергии, а белая меньше отдает тепло. Также для некоторых приборов, которые выделяют особо много тепла, специалистами из Сколковского института и ИЛМиТ с помощью 3Д печати были сделаны терморегулирующие корпуса c интегрированными тепловыми трубками из высоктеплопроводного алюминиевого порошкового сплава. А некоторые корпусные детали МКА, такие как крышка аккумуляторных батарей и корпус парусного модуля, изготовлены методом селективного лазерного спекания.
Корпус парусного модуля
Транспортировка и испытания
На космодром спутники транспортируются в специальных противоударных поролоновых кейсах. Однако прежде аппараты проходят полный цикл механических и термовакуумных испытании. К ним предъявляются жёсткие требования к устойчивости к воздействию вибрационных, ударных и квазистатических нагрузок при их подготовке и выведении в составе ракеты-носителя или разгонного блока в качестве попутных полезных нагрузок. Они испытывают нагружение до 10 g.
Вибрационные испытания
Температура аппарата в полете может колебаться в пределах от глубокого «плюса» до глубокого «минуса» из-за резкой смены тепловых режимов при переходе из освещённой в теневую часть орбиты, и обратно. Предполагаемый температурный диапазон для внутренних плат составил от −30 до +60 °С, для внешних панелей — от −70 до +80 °С.
Термовакуумные испытания
Эксплуатация на орбите
Пока спутник летит, вся телеметрия и полученная им полезная информация копится в его памяти (FRAM). Оттуда информация попадает на Землю благодаря приемо-передающим антеннам на аппарате (на Ярило используются две спиральные антенны УКВ диапазона) и наземным антеннам, которые расположены прямо на крыше корпуса «Специальное машиностроение». Когда спутник пролетает над Москвой в зоне радиовидимости, антенна принимает от него сигнал. Связь со спутником может поддерживаться в течение пяти минут, если трасса спутника проходит точно над Москвой, или около минуты, если зона лишь краем «задевает» город.
Диаграмма направленности антенн на аппаратах Ярило
Со спутника на Землю в этот промежуток времени передается вся необходимая целевая информация, которая была собрана с датчиков: положение и ориентация, угловые скорости, температура, состояние аккумуляторных и солнечных батарей. С Земли же на спутник передаются команды, которые должны быть выполнены спутником: поворот, выдача определенной телеметрической информации, раскрытие паруса и пр.
В данном проекте МГТУ является исполнителем и получает необходимую информацию с собственных спутников «Ярило-1» и «Ярило-2». А уже последующие процессы изучения и анализа данных проходят в других профильных лабораториях и Центрах МГУ и ФИАН, а также в Росгидромете.
Помимо этого спутники являются экспериментальной базой для отработки новых технологий: технологии солнечного паруса, отдельных служебных систем и, в целом, для отработки собственной наноспутниковой платформы.
Кроме работы связанной с ЦУПом у Молодежного Космического Центра много других интересных проектов. Среди них малый спускаемый аппарат для быстрой доставки биологических образцов с МКС, проект «маленькой» ракеты, которая могла бы выводить небольшие объемы полезного груза, работа со школьниками и участие в различных программах международного обмена. В новых статьях мы расскажем и о других проектах Центра, чтобы космическое пространство стало ближе для вас.
Центр управления полетами МГТУ является важным элементом космического образования. С его помощью можно выполнять весь комплекс задач управления полетом МКА, проводить научные и технологические эксперименты, оперативно анализировать служебную информацию и научные данные. ЦУП-Б оснащен средствами обработки телеметрической информации, её хранения и предоставления потребителям.
ЦУП-Б был создан в рамках выполнения научно-образовательного проекта создания МКА «Бауманец» и «Бауманец-2». В настоящее время центр используется для работы с орбитальной группировкой наноспутников «Ярило № 1» и «Ярило № 2», разработанной студентами, аспирантами и молодыми специалистами МГТУ им. Баумана. 28 сентября 2020 года с космодрома Плесецк наноспутники «Ярило» были выведены на орбиту Земли.
Конструкция спутников
Ярило — группировка из 2-х наноспутников «Ярило № 1» и «Ярило № 2» для исследования Солнца и солнечно-земных связей. Особенностью миссии является наличие на аппаратах экспериментальной раскрываемой конструкции типа «солнечный парус», с помощью которого планируется построение группировки и пассивный увод с орбиты. Данный проект отличается значительной образовательной составляющей — все проектно-конструкторские работы, разработка аппаратов и их служебных систем, изготовление, экспериментальная отработка, интеграция полезной нагрузки, подготовка к запуску, управление и организация работ осуществлена студентами, аспирантами и молодыми специалистами — коллективом Молодежного космического центра университета. Накопленные знания, документация, опыт, материальная часть используются для обогащения учебных программ.
Внутренняя компоновка МКА «Ярило»
Полезной нагрузкой на первом аппарате является спектрофотометр для регистрации солнечной активности (разработка Физического института им. П.Н. Лебедева, РАН).
Детектор позволяет осуществлять мониторинг в мягком рентгеновском диапазоне 0,5-15 КэВ, включая наблюдение микровспышек, а также выполнять спектральную диагностику плазмы в исследуемых объектах. Считается, что мы живем в атмосфере Солнца, и потоки солнечного ветра (солнечная плазма, выбрасываемая из Солнца) сильно влияют на Землю. Частота и мощность вспышек на Солнце зависит от 11-летнего цикла солнечной активности. Сейчас Солнце вышло из минимума активности и начинает разгоняться. Во времена, когда Солнце активное, на нем происходят вспышки, которые аппарат и будет изучать. Во время вспышек происходит выброс в пространство по радиусу от солнца массы плазмы, и если Земля, двигаясь по орбите, попадает в этот выброс, у нас случаются геомагнитные бури.
Плазма в магнитном поле Земли «отбрасывается» и вращается вдоль магнитных линий, и в результате попадает в магнитные полюса Земли. В этот момент могут происходить сбои связи и электросетей, или, например, пилоты, пролетая над северным полюсом, получат дозу радиации. Предсказание таких вспышек — основная задача ученых. За 8 минут выброшенные рентгеновские кванты со скоростью света долетают до Земли так, что их можно зафиксировать специальным прибором на орбите. Сам тразиент (выброс плазмы) долетает до Земли через сутки-двое, он летит гораздо медленнее (со скоростью порядка 1000 км/с), что позволяет предпринять необходимые меры заблаговременно.
Полезной нагрузкой второго аппарата является детектор гамма-излучения и заряженных частиц (ДеКоР — разработка Научно исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова). Задачами прибора являются исследование быстрых вариаций потоков электронов в зоне зазора между радиационными поясами, а также изучение динамики потоков частиц и гамма-излучения на низких орбитах в зависимости от геомагнитных условий в диапазоне 0,1-2 МэВ. Он позволяет изучать космическую радиацию, которая негативно влияет на организм живых существ и технику, и создает преграды для дальних космических миссий.
Внешняя компоновка аппаратов
Парус-МГТУ
Помимо полезной нагрузки для исследования космической погоды спутники оснащены двухлопастным солнечным парусом роторного типа, на отработку конструкции которого направлен эксперимент на борту МКС «Парус-МГТУ». Известно, что солнечный свет может толкать и разгонять объекты в космическом пространстве, что наглядно демонстрируется на упрощенной модели, представленной в ЦУПе.
Таким образом студентами был спроектирован солнечный парус — движитель, работающий на эффекте давления электромагнитного излучения Солнца. Он позволяет совершать межорбитальные и даже межпланетные перелёты без затрат рабочего тела (топлива).
Солнечный парус, отрабатываемый в проекте, является бескаркасной тонкопленочной конструкцией, жёсткость которой обеспечивается за счёт вращения паруса вокруг оси симметрии. Предложена концепция двухлопастного роторного солнечного паруса, которая обладает рядом преимуществ по сравнению с другими типами солнечных парусов — простота, возможность сворачивания паруса и др.
Макет спутника с двухлопастным солнечным парусом
Где летают и из чего состоят спутники
Аппараты «Ярило» находятся на низкой околоземной орбите 575 км с наклонением 97,6 градусов. Расчётный срок службы МКА составляет 1 год — это порядка 1500 витков вокруг Земли.
Загрузка аппарата в пусковой контейнер
Для того, чтобы аппаратам правильно определять своё местоположение и ориентироваться в пространстве на борту, функционируют два уникальных бортовых блока датчиков, которые включают в себя магнитометры, акселерометры и солнечный датчик собственной сборки на базе четырехточечного фотодиода FD-20K. Более того на внешней панели аппарата находится ГЛОНАСС приёмник, позволяющий определять координаты и скорость КА с высокой точностью. Также на каждой из внешних граней есть датчики освещенности, по которым тоже можно определить ориентацию, но менее точно.
Еще одна важная техническая задача — ориентация аппарата спектрофотометром на Солнце. Для ее выполнения на борту аппарата установлена пирамидка из четырёх двигателей-маховиков, позволяющая строить трехосную ориентацию, и магнитные катушки, расположенные на каждой из граней аппаратов, что позволяет им формировать магнитное поле различной конфигурации. Магнитная система ориентации одноосная, построена на принципе создания управляющего механического момента за счет взаимодействия магнитного поля, создаваемого катушкой, и магнитного поля Земли. Алгоритмы управления формируют последовательность включения и выключения магнитных катушек. Помимо ориентации на Солнце органы управления позволяют производить закрутку аппарата вокруг своей оси (она нужна, чтобы ленты «Паруса» во время раскрытия были натянуты) и гасить большие угловые скорости аппарата, например, если аппарат закрутился, вылетая из пускового контейнера (режим — демпфирование). Работа системы ориентации отрабатывалась подвешиванием аппаратов на нитке.
Для выполнения всех этих задач требуется большой запас энергии. На борту МКА имеются две аккумуляторные батареи, которые регулярно подзаряжаются с помощью солнечных фотоэлементов, расположенных на внешних гранях. Это происходит, когда аппарат оказывается на освещённой стороне орбиты. Кстати, технологию их монтажа ребята тоже разработали сами. Электроэнергия к системам-потребителям попадает по шинам питания 3.3 и 5 В.
«Мозги» аппарата находятся в Бортовой центральной вычислительной машине, которая управляет всеми устройствами подсистем аппарата согласно циклограмме полёта. БЦВМ устойчива к одному произвольному необратимому отказу, поэтому для устройства была выбрана схема с ненагруженным резервированием двух одинаковых полукомплектов вычислителей. Вычислители базируются на микроконтроллерах STM32F205 STMicroelectronics производства Промышленно-коммерческой компании «Миландр».
Упрощенная функциональная схема аппаратов
Один из самых частый вопрос, который задают команде разработчиков: а есть ли у вас камеры, чтобы получать красивые снимки Земли? Камеры на борту спутника есть, целых две, но они нужны, для того чтобы запечатлеть процесс развертывания солнечного паруса.
Отработка алгоритмов работы двигателей-маховиков
Еще, если внимательно посмотреть на фотографию аппарата, можно заметить, что он двухцветный. На освещенной части орбиты аппарат смотрит на солнце белой стороной, которая отражает свет, а черная сторона интенсивно излучает тепло, и тем самым спутник не перегревается. На теневой части орбиты, где надо повысить температуру аппарата, темная сторона поглощает больше энергии, а белая меньше отдает тепло. Также для некоторых приборов, которые выделяют особо много тепла, специалистами из Сколковского института и ИЛМиТ с помощью 3Д печати были сделаны терморегулирующие корпуса c интегрированными тепловыми трубками из высоктеплопроводного алюминиевого порошкового сплава. А некоторые корпусные детали МКА, такие как крышка аккумуляторных батарей и корпус парусного модуля, изготовлены методом селективного лазерного спекания.
Корпус парусного модуля
Транспортировка и испытания
На космодром спутники транспортируются в специальных противоударных поролоновых кейсах. Однако прежде аппараты проходят полный цикл механических и термовакуумных испытании. К ним предъявляются жёсткие требования к устойчивости к воздействию вибрационных, ударных и квазистатических нагрузок при их подготовке и выведении в составе ракеты-носителя или разгонного блока в качестве попутных полезных нагрузок. Они испытывают нагружение до 10 g.
Вибрационные испытания
Температура аппарата в полете может колебаться в пределах от глубокого «плюса» до глубокого «минуса» из-за резкой смены тепловых режимов при переходе из освещённой в теневую часть орбиты, и обратно. Предполагаемый температурный диапазон для внутренних плат составил от −30 до +60 °С, для внешних панелей — от −70 до +80 °С.
Термовакуумные испытания
Эксплуатация на орбите
Пока спутник летит, вся телеметрия и полученная им полезная информация копится в его памяти (FRAM). Оттуда информация попадает на Землю благодаря приемо-передающим антеннам на аппарате (на Ярило используются две спиральные антенны УКВ диапазона) и наземным антеннам, которые расположены прямо на крыше корпуса «Специальное машиностроение». Когда спутник пролетает над Москвой в зоне радиовидимости, антенна принимает от него сигнал. Связь со спутником может поддерживаться в течение пяти минут, если трасса спутника проходит точно над Москвой, или около минуты, если зона лишь краем «задевает» город.
Диаграмма направленности антенн на аппаратах Ярило
Со спутника на Землю в этот промежуток времени передается вся необходимая целевая информация, которая была собрана с датчиков: положение и ориентация, угловые скорости, температура, состояние аккумуляторных и солнечных батарей. С Земли же на спутник передаются команды, которые должны быть выполнены спутником: поворот, выдача определенной телеметрической информации, раскрытие паруса и пр.
В данном проекте МГТУ является исполнителем и получает необходимую информацию с собственных спутников «Ярило-1» и «Ярило-2». А уже последующие процессы изучения и анализа данных проходят в других профильных лабораториях и Центрах МГУ и ФИАН, а также в Росгидромете.
Помимо этого спутники являются экспериментальной базой для отработки новых технологий: технологии солнечного паруса, отдельных служебных систем и, в целом, для отработки собственной наноспутниковой платформы.
Кроме работы связанной с ЦУПом у Молодежного Космического Центра много других интересных проектов. Среди них малый спускаемый аппарат для быстрой доставки биологических образцов с МКС, проект «маленькой» ракеты, которая могла бы выводить небольшие объемы полезного груза, работа со школьниками и участие в различных программах международного обмена. В новых статьях мы расскажем и о других проектах Центра, чтобы космическое пространство стало ближе для вас.
