Космические исследования в современном мире становятся все более обыденным делом. Еще полвека назад не то что каждый полет за пределы атмосферы, но и запуск искусственного спутника был ярким событием. Теперь же этим никого не удивишь – человечество освоило ближний космос, и подобные события исчисляются десятками, если не сотнями в год. На орбите Земли побывали уже более 500 человек, а многочисленные спутники выполняют не только научные, но и коммерческие задачи – например, обеспечивают связь или проводят орбитальную съемку Земли для метеорологических прогнозов.
Пожалуй, сегодня остался лишь один фактор, всерьез тормозящий освоение космоса. Запуск на орбиту не то что человека, но даже спутника – чрезвычайно дорогостоящее дело: подобные затраты по плечу лишь бюджетам государств и очень крупных частных компаний. А окупают свой полет лишь немногие из таких полетов. В научных кругах не раз высказывалось мнение, что именно пресловутый финансовый вопрос в конце концов поставит крест на попытках человека освоить околоземное пространство – и уж тем более, другие планеты. А значит, именно на его решение стоит направлять научный потенциал. И кое-кто из специалистов воспринял эти слова всерьез.
Разумеется, отправить в космос человека всегда будет затратно – слишком уж многое необходимо для того, чтобы обеспечить ему выживание и минимальный комфорт. А вот решить проблему дороговизны спутников оказалось гораздо проще. Современные технологии позволили разработать устройства, способные работать в безвоздушном пространстве – и при этом умещающиеся на ладони! А уж запускать на орбиту таких малышей можно в буквальном смысле оптом.
Несерьезная идея
Программа CubeSat – именно так назвали крошечные устройства – вообще-то не нова. Идея впервые была предложена группой ученых из Калифорнийского Технологического и Стэнфордского университетов под руководством профессора факультета аэронавтики и астронавтики Боба Твиггса еще в 1999 году. Заключалась она в следующем: разработать стандарт, в который сможет уложиться спутник с минимальным набором функций и относительно недолгим сроком жизни, и наладить выпуск готовых частей, из которых можно легко собрать подобное устройство.
На первый взгляд идея выглядела неубедительно: отравлять на орбиту недолговечные механизмы казалось расточительством. Однако математические выкладки, представленные авторами проекта, убедили научную общественность – и инженеры всего мира с энтузиазмом взялись за разработку составных частей.
Однако первоочередной задачей стало все же определение стандарта микроспутников, за которыми в русском языке закрепилось англоязычное название «кубсаты», а также универсальной базы, на которой – вернее, внутри которой – будут собираться эти космические аппараты. Когда ученые принялись за расчеты, оказалось, что для самого простого космического аппарата хватит объема в 1000 см3 – то есть кубика 10х10х10 см! Именно эти габариты приняли за единицу – стандарт 1U. Именно под этот размер были разработаны каркасы из анодированного алюминия и встраивающиеся в них детали – батареи, микродвигатели, солнечные панели для подзарядки, которые одновременно играют роль внешней обшивки, антенны для связи с Землей, а также разнообразные вспомогательные устройства. Что же до электронной «начинки», то лишь некоторые из микросхем, использующихся в кубсатах, были сделаны специально для них. Зато создатели проекта оставили для будущих пользователей возможность встраивать в устройства совершенно любую электронику, подходящую по габаритам. К слову, сегодня в кубсатах частенько используются микросхемы индустриального класса – то есть предназначенные для эксплуатации на Земле, а не в космосе. Это, конечно, сказывается на долговечности устройства – срок службы микросхем, не приспособленных для таких экстремальных условий, несколько сокращается. Однако кубсаты и не предназначены для долгой работы – а цена индустриальных микросхем в десятки раз ниже, чем специальных «космических». А это означает, что окупится спутник во столько же раз быстрее.
Срок жизни кубсата составляет около 2 лет – затем он теряет скорость, сходит с орбиты и сгорает в атмосфере Земли. Однако возможность корректировать орбиту может продлить работу спутника. Именно поэтому столько внимания уделяется разработке разнообразных двигателей для «космических кубиков». Какие только варианты не предлагают инженеры! Плазменные и сублимационные двигатели, электромагнитные и солнечные паруса – устанавливая их на кубсатах, ученые не только делают долговечнее сами микроспутники, но и тестируют технологии на дешевых малогабаритных моделях, чтобы впоследствии применить их в традиционной космонавтике. Так, в Массачусетском университете разработан ионный двигатель для кубсата формата 1U. Ученые, запатентовавшие это изобретение, считают, что оно позволит продлить срок службы микроспутников и сделать их работу гораздо более эффективной.
Впрочем, для некоторых целей одного кубика со стороной 10 см оказалось все же маловато. Для таких случаев существуют базы стандарта 2U и 3U – из нескольких соединенных кубиков, в каждый из которых встраиваются все те же стандартные детали «космического конструктора». К слову, самые большие из кубсатов, существующие на сегодняшний день, состоят аж из 6 кубиков, соединенных в 2 ряда, и имеют объем 10х20х30. Этот формат, соответственно, называется 6U.
Идея оказалась на удивление перспективной – как только детали для микроспутников появились в свободной продаже, спрос на них начал расти в геометрической прогрессии. И неудивительно: кубсаты оказались по карману не только компаниям средней руки, но и учебным заведениям, и даже некоторым частным лицам! Конечно, для среднего человека эта технология все еще дороговата – сборка микроспутника и вывод его на орбиту обойдутся не в один десяток тысяч долларов. Однако по сравнению с миллионами, которые тратятся на традиционные космические аппараты, это не так уж много.
При этом сборка кубсатов не требует ни научных лабораторий, ни штата специалистов – достаточно обычного рабочего стола и умелых рук. Разумеется, не лишними будут и некоторые навыки в программировании. Все же для того чтобы спутник не сошел с орбиты раньше времени и смог выполнять возложенные на него функции, следует потрудиться: протестировать совместимость систем – особенно если они произведены разными компаниями, – написать дополнительное программное обеспечение и, конечно, все как следует отладить.
Что же касается непосредственно вывода спутников в околоземное пространство, то эту проблему решили сходу: их отправляют в буквальном смысле на попутках – то есть при запуске полноценных космических аппаратов. Разумеется, это недешево – каждый килограмм груза, поднятого на орбиту, обходится в весьма круглую сумму. Однако при настолько скромных размерах и массе запуск каждого кубсата все же относительно недорог.
На орбиту микроспутники выводят двумя способами. Во-первых, можно просто отстыковать контейнер с кубсатами от космического аппарата и предоставить кубикам самостоятельно синхронизировать свое движение с планетой и другими объектами. К слову, это не такая уж простая задача – часть спутников не справляется с ней и сгорает в атмосфере практически сразу. Во-вторых, можно доставить партию кубсатов на МКС – а уже оттуда дежурная смена космонавтов отправит их в «свободное плаванье» с помощью роботизированной системы, специально для этого разработанной частной космической компанией NanoRacks. В этом способе есть свои преимущества. На более высокой орбите кубики продержатся гораздо дольше. К тому же вопрос синхронизации решается сам собой: запущенные со стационарной орбиты, спутники будут двигаться параллельно МКС. Однако и тут есть проблема: кубсаты рентабельно доставлять на орбитальную станцию сравнительно крупными партиями – а это значит, что порой каким-то из них приходится ожидать полета довольно долго. Случается, что у них просто садятся батарейки. Конечно, по мере сил космонавты стараются вернуть такие кубсаты к жизни, однако для того чтобы обслужить все микроспутники, у них не хватает ни времени, ни сил.
У вывода кубсатов в космос «попутным транспортом» есть масса преимуществ. Однако имеется и недостаток. В космосе, как и на поверхности планеты, есть популярные направления – в частности, маршрут «Земля–МКС». И на всем протяжении этих «околоземных магистралей» можно выводить на орбиту микроспутники. Но как быть тем, кого интересует, например, «космическое захолустье»? Скажем, сверхвысокие орбиты, до которых ракеты добираются не так уж часто. Ведь двигатели кубсатов слишком слабы, чтобы добраться туда своим ходом, да и ресурса батарей, даже с учетом солнечных панелей, на это не хватит.
Ответ на этот вопрос дала российская компания «Лин Индастриал», занимающаяся разработкой сверхлегких ракет. В скором времени она обещает выпустить микроракету, специально предназначенную для вывода кубсатов на орбиту в индивидуальном порядке. Конечно, это сделает спутник более дорогим – специалисты «Лин Индастриал» признают, что ракета обойдется не меньше, чем в 100 тыс. долларов, – однако порой сэкономленное время стоит гораздо дороже.
Так или иначе, большинство кубсатов проходят этот своеобразный «естественный отбор», благополучно выходят на орбиту Земли и начинают выполнять задачи, ради которых они и были отправлены в космос.
Космическая коммерция
Когда речь заходит о коммерческой выгоде, у неискушенного человека может возникнуть вопрос: какого рода прибыль могут принести микроспутники? Между тем сфера их применения на удивление обширна и многообразна. Правда, поначалу даже сами изобретатели кубсатов не слишком в это верили. А потому позиционировали свое детище, скорее, как высокотехнологичную забаву. Тем более что первыми, кто заинтересовались этой концепцией, стали студенты.
Сегодня трудно сказать, когда был запущен первый кубсат – слишком уж много их вращается на орбите, а еще больше уже исчерпало свой ресурс и сгорело в атмосфере. Однако можно с огромной долей вероятности утверждать: первый микроспутник принадлежал одному из американских или британских ВУЗов. Впрочем, то же можно сказать о подавляющем большинстве кубсатов, вышедших на орбиту в первые годы XXI века. А вскоре по стопам студентов пошли и некоторые школьники, и даже одиночки-энтузиасты.
Университетские микроспутники не были предназначены для выполнения каких-либо серьезных научных задач – скорее, их запускали для забавы и поддержания престижа. Максимум, что они умели – это подавать радиосигналы и, возможно, делать фотоснимки из космоса. Неудивительно, что отношение к ним долгое время оставалось несерьезным. Да и можно ли сравнивать кубик весом в какой-то килограмм, собранный кучкой студентов, с высокотехнологичными многотонными конструкциями, созданными серьезными космическими агентствами и стоящими миллионы долларов?
Однако оказалось, что все не так просто. Первые же поколения микроспутников позволили отработать технические решения и на их основе усовершенствовать следующие кубсаты. К тому же массовое увлечение ими продемонстрировало, что такие «игрушки» действительно дешевы, просты и доступны настолько, что их можно запускать в космос десятками. Вот тогда-то на них и обратили внимание бизнесмены – кубсаты начали использовать как вспомогательные средства для передачи данных. А вскоре появились и те, для кого микроспутники стали основным инструментом.
Одной из первых сделала ставку на массовый запуск кубсатов компания Planet Labs. В 2013 году ее инженеры вывели на орбиту два пробных спутника Dove («Голубь») стандарта 3U, несущих на борту 90-миллиметровый телескоп, фотоматрицу и достаточно точную систему ориентации объектива. По сути, «Голуби» представляли собой автоматические фотокамеры, способные передавать на Землю снимки земной поверхности в достаточно неплохом для такого крошечного устройства разрешении.
Спутники показали себя хорошо, и компания начала постепенно увеличивать их количество, выводя кубсаты на четко просчитанные орбиты. В 2014 году «Голубей» стало уже 30. Конечной целью проекта Planet Labs являлось получение достаточного количества фотографий для того, чтобы создать карту Земли, подобную Google Maps, но обновляющуюся раз в сутки. И сегодня такие карты уже существуют. Дело за малым: организовать подходящую инфраструктуру для их распространения и обзавестись достаточным количеством клиентов.
Не менее перспективен и проект компании Spire, которая уже приступила к развертыванию сети похожих микроспутников, но с несколько иной целью. С их помощью планируется отслеживать в реальном времени перемещение каждого судна – грузового, пассажирского или прогулочного, – вышедшего в море. Конечно, это делалось и раньше – но с помощью наземных радаров, дальность действия которых ограничена прибрежной зоной. Теперь же с помощью спутников можно будет точно определить местонахождение любого корабля. А это сделает морские путешествия и перевозки намного безопаснее и к тому же позволит решить некоторые проблемы логистики.
Однако сфера применения кубсатов не ограничивается картографией и отслеживанием различных объектов. Их все чаще предлагают использовать в качестве хранилищ данных.
Не так давно резко подскочили в цене биткоины – одна из самых «успешных» криптовалют. Тогда-то ее создатели и задумались об уязвимости носителей информации, на которых хранятся коды электронных денег. В первую очередь – о чисто физической уязвимости. И возникла идея – перенести на орбиту часть серверов, на которых хранятся данные, связанные с биткоинами и через которые проходят финансовые операции с этой валютой. Джефф Гарзик, один из разработчиков кода биткоина, считает, что это сделает криптовалюту стабильнее, а ее использование – безопаснее. А некоторые экономисты полагают, что такой оригинальный ход может даже позитивно сказаться на курсе высокотехнологичной денежной единицы. Так что первые 4 из запланированных 24 спутников формата 3U уже готовятся к запуску.
К слову, компания Гарзика Dunvegan Space Systems планирует не ограничиваться обслуживанием своей виртуальной платежной системы, а предоставлять на серверах системы BitSat – так будет называться эта сеть – место для хранения данных своим клиентам. В первую очередь, тем, кто инвестировал средства в смелый проект. Так что эти самые 24 кубсата станут прообразом будущего межпланетного Интернета.
Как бы ученые ни убеждали в том, что крошечных по меркам космической техники кубсатов хватает для обеспечения минимального набора функций, иногда все же оказывается, что объема и площади недостаточно. Так, у всех, кто использует микроспутники, остро стоит проблема нехватки энергии. Все-таки общая площадь солнечных панелей кубсата 1U всего 600 см2, при этом в каждый момент времени минимум половина из них находится в тени. Поэтому иногда приходится использовать метод, уже опробованный в традиционной космонавтике: разворачивание дополнительных панелей после запуска спутника. Увы, это значительно укорачивает срок жизни кубсата – так, на высоте МКС такие микроспутники начинают терять скорость и приближаться к плотным слоям атмосферы меньше, чем через год.
Еще одна проблема – чувствительная аппаратура. В настолько крошечное устройство невозможно встроить достаточно большую антенну для интенсивного обмена данными. Впрочем, инженеры смогли решить и это. Одной из последних разработок, предложенных группой ученых из MIT, стала надувная антенна. На первый взгляд, это звучит несерьезно, однако расчеты показывают, что «воздушный шарик» из металлизированной пленки диаметром 1 м позволит увеличить скорость передачи данных на порядок!
К слову, инженеры из MIT не первые, кто предложил идею надувной антенны. Однако раньше предполагалось, что большая часть и без того небольшого объема кубсата будет занята баллоном со сжатым или сжиженным газом и системой клапанов. А это довольно громоздко для микроустройства. Идея, родившаяся в MIT, стала поистине революционной: надувать антенну предполагается с помощью химических веществ, способных при низком давлении переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. А твердое вещество разместить в кубсате гораздо проще, да и места ему требуется меньше – планируется, что вся система вместе со сложенной антенной займет не более половины модуля.
Маленькие кубики в большой науке
Коммерческая выгода – это, конечно, хорошо, однако сфера применения кубсатов отнюдь не ограничивается заработком денег. Едва ли не раньше бизнесменов перспективы использования микроспутников оценили ученые. И немудрено: научные исследования, особенно связанные с космосом, всегда требовали значительных финансовых вложений. Для того чтобы вывести на орбиту полноценный спутник, несущий на борту множество датчиков, требуются миллионы долларов. А если учесть еще временные затраты – от рождения концепции научного исследования до отправки в космос аппарата, предназначенного для его проведения, порой проходят десятки лет, – то вопрос рентабельности этого самого исследования встает и вовсе очень остро.
С появлением кубсатов все очень сильно упростилось: ведь на них вполне возможно разместить датчики, необходимые, скажем, для изучения магнитного или гравитационного поля Земли, состава верхних слове атмосферы, измерения количества заряженных частиц в околоземном пространстве и осуществления множества других научных задач. А при некотором усложнении программного обеспечения и оснащении кубсата дополнительным оборудованием он может стать даже своеобразной лабораторией. Так, на спутниках уже некоторое время проводятся биохимические эксперименты с бактериями, для осуществления которых требуется безвоздушная среда.
Конечно, каждый микроспутник сможет «принять на борт» всего 1–2 датчика, но при относительной простоте сборки это не так уж страшно – ведь при сравнительно небольших затратах их можно запустить столько, сколько нужно.
Не стоит забывать и о еще одной возможности, которую обеспечивают кубсаты: об уже упомянутой базе для обкатки технологических решений, чтобы впоследствии использовать в дорогостоящих проектах «большой» космонавтики только те из них, что уже показали свою эффективность.
Применять микроспутники не брезгуют даже крупные организации, занимающиеся традиционной космонавтикой, включая NASA. С некоторых пор аэрокосмическое агентство начало включать кубсаты в весьма амбициозные проекты – правда, только как вспомогательные устройства. Причем не только в околоземном пространстве – по мнению специалистов NASA, микроспутники окажутся весьма полезны при изучении других планет.
Так, на 2018 год запланирован запуск беспилотного космического корабля «Орион», целью которого станет исследование лунной поверхности. При этом сверхтяжелая ракета SLS, которая доставит «Орион» к цели, вместе с ним понесет к нашей ближайшей соседке десяток микроспутников. Резоны исследователей просты: этот небольшой рой позволит охватить в исследованиях довольно значительный участок поверхности Луны. К тому же таким образом решится одна оригинальная техническая проблема, до сих пор доставлявшая инженерам множество хлопот.
Полноценный спутник, как правило, несет на себе целый комплекс сложных приборов – и во время проведения исследований энергосистемы космических аппаратов работают буквально на пределе, чтобы обеспечить электричеством каждый датчик. То же происходит и с системой связи – данные идут сплошной лавиной, со всех приборов сразу, из-за чего часть их неминуемо теряется. Кубсаты же спроектированы по принципу «один спутник – один прибор». По мнению ученых, это сильно облегчит работу с ними и позволит добиться гораздо большей эффективности.
Однако еще до «Ориона» два микроспутника стандарта 6U примут участие в гораздо более далеком путешествии – в очередной беспилотной «экспедиции» на Марс. Они отправятся туда уже в 2016 году в свите посадочной платформы InSight, которая должна будет пробурить скважину в коре Красной планеты и заняться изучением ее недр. Кубсаты заснимут посадку зонда, а затем помогут в ретрансляции первых его сигналов: в расчетное время спуска на марсианскую поверхность поблизости не окажется никаких других спутников, способных передать радиоволны на Землю.
После этого они продолжат путь, поддерживая связь с Землей так долго, как смогут, и рано или поздно затеряются в поясе астероидов, повторив судьбу исследовательских аппаратов, которые запускались на самой заре космонавтики.
Сфера применения кубсатов все ширится. Очень скоро они будут исследовать ближайшие к Земле астероиды, искать водяной лед на Луне, принимать участие в изучении множества других небесных тел. Но главное даже не это: рано или поздно человечество в любом случае приступило бы ко всем этим исследованиям. Самое главное, что микроспутники сделали космос гораздо более доступным – и не только для крупных организаций и серьезных научных лабораторий, но и для простых энтузиастов-любителей. А значит, человечество стало еще на шаг ближе к звездам.
