В 1999 году команда инженеров из Калифорнийского политехнического и Стэнфордского университетов разработала спецификацию небольшого космического аппарата. Это должен был быть универсальный студенческий спутник. Для максимального упрощения и удешевления конструкции авторы проекта предложили использовать типовое шасси-каркас, стандартные комплектующие и электронные компоненты, которые можно купить в любом хозяйственном магазине. Этот малый космический аппарат назвали кубсатом (CubeSat).
Разработчики надеялись, что сочетание небольших размеров, стандартной конструкции и универсального контейнера, позволяющего разместить ряд однотипных аппаратов на одной ракете, откроет научным учреждениям всего мира путь в космос. Ведь до этого им приходилось годами ждать возможности отправить свой груз на орбиту.
В результате успех кубсата превзошел все ожидания. Универсальный студенческий спутник положил начало новому стандарту, изменившему космическую индустрию. В околоземное пространство успешно вывели более 1200 аппаратов, созданных на базе этой платформы, и их количество продолжает расти. С каждым годом наноспутники используются для решения все большего количества различных задач — от съемки земной поверхности до испытания новых технологий. Так почему же кубсат стал настолько популярным и какое будущее ждет рынок малых спутников?
Классификация малых спутников
Прежде чем начать разговор о современном состоянии и перспективах рынка миниатюрных космических аппаратов, следует упомянуть их классификацию. Что такое наноспутник и чем он отличается от, скажем, микроспутника?
Малыми спутниками считаются космические аппараты весом менее 500 кг. Они делятся на:
- аппараты весом от 100 кг до 500 кг (миниспутники);
- от 10 кг до 100 кг (микроспутники);
- от 1 кг до 10 кг (наноспутники);
- от 100 г до 1 кг (пикоспутники);
- менее 100 г (фемтоспутники).
Разумеется, подобная классификация не абсолютна. Она, скорее, используется для удобства обозначения. К примеру, обычный кубсат (1U) имеет массу примерно 1 кг, поэтому он может одновременно считаться и большим пикоспутником, и легким наноспутником.
С формальной точки зрения многие первые ИСЗ вполне можно было бы назвать наноспутниками. Например, американский аппарат Vanguard 1 весил всего 1,47 кг. Но это было вызвано отнюдь не стремлением инженеров установить рекорд, построив самый маленький спутник в мире, а исключительно недостаточной мощностью ракеты-носителя, не позволявшей вывести на орбиту больший груз.
Конечно, сегодня вопрос грузоподъемности давно потерял актуальность. Для современных конструкторов более приоритетны вопросы удешевления стоимости вывода спутников, надежности развертывания и обеспечения совместимости различных грузов.
Причины успеха кубсатов
Основной причиной популярности кубсатов, безусловно, есть универсальность платформы. Они стали первыми действительно стандартизированными космическими аппаратами, пригодными для массового производства.
Эти спутники собираются из типичных блоков (юнитов) размером 10х10х10 см и массой не более 1,33 кг. В зависимости от поставленных задач аппарат может состоять из одного или нескольких юнитов. Под кубсаты разрабатывали многие стандартные конструкционные элементы (батареи, платы, датчики, системы коммуникаций), что позволило еще больше снизить их стоимость.
Второй важный фактор, способствовавший успеху аппаратов, — упрощенная процедура их выведения в космос. При запуске обычных КА, даже небольших, заказчику приходится платить пусковому оператору за адаптацию к размещению кубсата в ракете-носителе и разработку индивидуального пускового контейнера. Стоимость подобных сделок может даже превышать цену создания самого спутника.
Для размещения кубсатов используются типичные транспортные контейнеры. Заказчику не нужно платить за их адаптацию. Более того, универсальные контейнеры позволяют вывести за один рейс на орбиту большое количество малых аппаратов от множества различных клиентов. А иногда наноспутники вообще запускаются «вручную» — путем их выброса в космическое пространство экипажем МКС.
Благодаря этим факторам сейчас средняя стоимость одного кубсата составляет 40—50 тысяч долларов. Строительство космических аппаратов перестало быть привилегией, доступной лишь небольшой группе избранных стран. Теперь их могут создавать практически все — от частных компаний до студенческих коллективов.
Важную роль сыграла и микроминиатюризация электроники. Она позволила не только оснастить кубсаты полноценными системами навигации и управления, но и дала возможность устанавливать на них небольшие, относительно дешевые, но вместе с тем достаточно мощные инструменты. Это открыло путь к созданию «наноспутниковых созвездий» — группировок малых аппаратов, предназначенных для выполнения определенной задачи.
Наглядным примером может служить компания Planet (ранее — Planet Labs). На сегодняшний день она имеет группировку, состоящую примерно из 200 спутников Dove, собранных из трех юнитов (3U). Каждый подобный аппарат снабжен мощным телескопом и камерой для съемки земной поверхности. До начала развертывания системы Starlink созвездие Planet было самой большой спутниковой группировкой в истории. Благодаря этим аппаратам ежесуточно компания может получать полное изображение всей поверхности Земли с разрешением 5 м. Такой возможности пока нет даже у американских военных.
Съемка поверхности — это лишь один из многочисленных вариантов применения миниатюрных аппаратов. Их можно использовать для наблюдения за погодой, предотвращения стихийных бедствий, помощи в сельском хозяйстве, раздачи интернета, регулирования транспортных потоков и многих других задач. И поскольку прогресс не стоит на месте, технические возможности малых аппаратов постепенно приближаются к большим спутникам. Для кубсатов разрабатываются новые системы управления, более эффективные солнечные батареи, аккумуляторы и двигатели, позволяющие продлить срок службы. Все это еще больше размывает традиционную границу между различными классами космической техники.
Стоит заметить, что архитектура кубсата вдохновила и производителей более крупных аппаратов. Лучшим примером является тот же Starlink. Конечно, эти аппараты нельзя отнести ни к нано-, ни к микроспутникам. В то же время при их создании инженеры SpaceX использовали принципы, которые легли в основу архитектуры кубсата. Это позволило наладить полноценное поточное производство аппаратов. А еще совсем недавно такие спутники собирались фактически вручную по индивидуальным проектам.
Основные производители малых спутников
Сейчас в мире насчитывается около 75 компаний, занимающихся производством микро- и наноспутников. Большинство из них из США. Но кубсаты также собирают в Европе, Азии и других уголках земного шара.
Всех производителей малых аппаратов можно условно разделить на три группы. К первой относятся аэрокосмические гиганты типа Boeing, Airbus, Raytheon, Northrop Grumman, Sierra Nevada и т. д. Для подобных компаний наноспутники — это лишь одно (и далеко не основное) направление деятельности, дополнительный источник заработка. В этом сегменте они, прежде всего, ориентируются на рынки Азиатско-Тихоокеанского региона и Европы, наращивающие темпы роста.
Вторая группа — это предприятия типа Surrey Satellite Technologies и Pumpkin Space Systems. Для них производство малых спутников является основным направлением деятельности. Эти компании занимаются серийным производством кубсатов и их компонентов и/или сборкой по заказу с целью продажи.
И, наконец, к третьей группе относятся предприятия, производящие малые спутники исключительно для обеспечения собственных нужд и не занимающиеся их коммерческими продажами для других компаний. Основными тяжеловесами в этом сегменте являются Planet и Spire. На сегодняшний день они имеют самые развернутые созвездия наноспутников, которые в общей сложности насчитывают более 230 активных аппаратов. Это примерно треть от общего количества кубсатов, функционирующих сейчас на околоземной орбите.
Помимо аэрокосмических компаний над созданием малых КА активно работают и вузы. Для университетов наноспутник — это практическая реализация теоретических знаний. Относительная дешевизна как в создании аппарата, так и в его выводе на орбиту позволяет студентам на практике отработать все стадии создания спутника — от дизайна до управления на орбите и приема данных.
В Украине кубсаты создают в Киевском политехническом институте. Первый тестовый КПИшный наноспутник PolyITAN-1 запустили на околоземную орбиту в июне 2014-го. Второй спутник — PolyITAN-2-SAU — получал измерения нижней термосферы Земли для исследования изменений климата. Он был создан в рамках международного космического проекта QB50 и запущен в околоземное пространство в 2017 году.
Объем и перспективы рынка микро- и наноспутников
В начале бума малых спутников некоторые эксперты высказывали мнение, что этот рынок — «воздушный шарик», который довольно быстро «сдувается». Однако реальность не подтверждала эти опасения. В прошлом десятилетии этот сегмент демонстрировал устойчивый рост. Если в 2014 году общий объем рынка микро- и наноспутников составлял $430 млн, то к 2021 году он увеличился до 3,1 млрд долларов. По прогнозам экспертов, к 2026 году эта цифра увеличится до $7,6 млрд. Даже пандемия COVID-19 и ожидаемая мировая экономическая рецессия пока не повлияли на рынок малых спутников.
Почему так случилось? Дело в том, что существует ряд важных факторов, играющих в пользу малых спутников. Первым является их дешевизна.
Из-за более низкой стоимости проекты наноспутниковых созвездий имеют лучшие шансы пережить рецессию, чем их «старшие» собратья. Более того, экономический спад может в определенной степени способствовать производству кубсатов. Не исключено, что в условиях вынужденной экономии некоторые из спутниковых группировок, предусматривающих использование больших аппаратов, могут быть переформатированы под малые КА.
Вторым фактором является существующая структура рынка наноспутников. Несмотря на то, что кубсаты в основном ассоциируются с разными частными проектами и стартапами, на самом деле основная доля этого рынка все еще приходится по заказу от различных госструктур и военных ведомств.
Это объясняется некоторыми уникальными возможностями, предоставленными кубсатам. Например, рой наноспутников на низкой орбите (вроде созвездия Planet) пока является единственным приемлемым в плане соотношения стоимости и времени развертывания вариантом обеспечения непрерывной спутниковой съемки большого региона с высоким разрешением по обновлению геоинформации почти в режиме реального времени. Можно не сомневаться, что военные вряд ли откажутся от таких возможностей и прекратят вкладываться в малые спутники.
Также следует обратить внимание на то, что подавляющее большинство малых спутников находятся на низких орбитах и срок их жизни составляет всего несколько лет. Это требует постоянных запусков для поддержания функциональности существующих группировок. Данная потребность является главным стимулом для развития рынка малых носителей. А наличие доступных и дешевых ракет в свою очередь придает уверенности инвесторам, что собираются уложиться в проекты наноспутниковых созвездий.
И, наконец, необходимо учитывать то, что рынок малых спутников еще не достиг своих «физических» пределов роста. В прямом смысле слова. Во-первых, их можно использовать для миссий, предполагающих развертывание на более высоких орбитах — типа уже упомянутого проекта геостационарных кубсатов.
Другим перспективным направлением является дальний космос. В 2018 году NASA провела важный эксперимент, запустив два кубсата MarCO (Mars Cube One) в Марс. Оба наноспутника выдержали перелет к соседней планете и успешно ретранслировали на Землю посадочную телеметрию зонда InSight. Это доказало возможность использования аналогичных аппаратов в исследованиях далекого космоса.
Успех MarCO стал отправной точкой для проектов, предполагающих использование миниатюрных аппаратов в межпланетных исследованиях. С тех пор NASA успела выдать ряд контрактов на создание кубсатов для изучения Луны. Уже сейчас на селеноцентрической орбите работает спутник CAPSTONE, построенный компаниями Advanced Space и Tyvak Nano-Satellite Systems. Он предназначен для проверки орбиты, на которую планируется вывести орбитальную станцию Gateway.
Кроме того, в рамках миссии Artemis I в космос была выведена группа из десяти малых аппаратов. На них возложены разные задачи — от поиска льда на Луне до изучения космической погоды. К сожалению, не все аппараты вышли на связь после отделения от носителя. Но все-таки это событие стало огромным шагом для промышленности. А уже в ближайшие годы в космос отправятся и другие малые аппараты, предназначенные для изучения Венеры, Марса и астероидов.
Все это свидетельствует о том, что, несмотря на текущие экономические трудности, наноспутники все же имеют немалый потенциал для дальнейшего роста. Уже сейчас они успешно используются для решения целого ряда задач. А в будущем сфера их применения будет только расти.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
