Як малі супутники змінюють космічну індустрію

У 1999 році команда інженерів з Каліфорнійського політехнічного і Стенфордського університетів розробила специфікацію невеликого космічного апарата. Це мав бути універсальний студентський супутник. Для максимального спрощення і здешевлення конструкції автори проєкту запропонували використовувати типове шасі-каркас, стандартні комплектуючі та електронні компоненти, які можна було би купити у будь-якому господарському магазині. Цей малий космічний апарат назвали кубсатом (CubeSat).

CubeSat на орбіті

Розробники сподівалися, що поєднання невеликих розмірів, стандартної конструкції та універсального контейнера, що дозволяє розмістити низку однотипних апаратів на одній ракеті, відкриє науковим установам усього світу шлях у космос. Адже до цього їм доводилося роками чекати на можливість відправити свій вантаж на орбіту.

Врешті успіх кубсата перевершив усі очікування. Універсальний студентський супутник поклав початок новому стандарту, що змінив космічну індустрію. У навколоземний простір уже успішно вивели понад 1200 апаратів, створених на базі цієї платформи, і їхня кількість продовжує зростати. З кожним роком наносупутники використовуються для розв’язання все більшої кількості найрізноманітніших завдань — від зйомки земної поверхні до випробування нових технологій. Тож розберімося, чому кубсат став настільки популярним і яке майбутнє чекає на ринок малих супутників.

Класифікація малих супутників

Перш ніж розпочати розмову про сучасний стан і перспективи ринку мініатюрних космічних апаратів, варто згадати їхню класифікацію. Що таке наносупутник і чим він відрізняється від, скажімо, мікросупутника?

Фемтосупутник

Малими супутниками вважають космічні апарати вагою менш ніж 500 кг. Вони поділяються на:

  • апарати вагою від 100 кг до 500 кг (мінісупутники);
  • від 10 кг до 100 кг (мікросупутники);
  • від 1 кг до 10 кг (нанопутники);
  • від 100 г до 1 кг (пікосупутники);
  • менш ніж 100 г (фемтосупутники).

Зрозуміло, подібна класифікація не є абсолютною. Вона, скоріше, використовується для зручності позначення. Наприклад, звичайний кубсат (1U) має масу приблизно 1 кг, тому він може одночасно вважатися і великим пікосупутником, і легким наносупутником.

З формальної точки зору багато перших ШСЗ цілком можна було б назвати наносупутниками. Наприклад, американський апарат Vanguard 1 важив лише 1,47 кг. Але це було викликано аж ніяк не прагненням інженерів встановити рекорд, побудувавши найменший супутник у світі, а виключно недостатньою потужністю ракети-носія, що не дозволяла вивести на орбіту більший вантаж.

Мініатюрний апарат SunCube також належить до класу фемтосупутників. Джерело: Charlie Leight/ASU Now

Звісно, сьогодні питання вантажопідйомності давно втратило актуальність. Для сучасних конструкторів більш пріоритетними є питання здешевлення вартості виведення супутників, надійності розгортання і забезпечення сумісності різних вантажів.

Причини успіху кубсатів

Основною причиною популярності кубсатів, безумовно, є універсальність платформи. Вони стали першими, справді стандартизованими космічними апаратами, придатними для масового виробництва.

Спеціальний адаптер NLAS (Nanosatellite Launch Adapter System) для встановлення кубсатів на ракету-носій. Джерело: NASA

Ці супутники збираються з типових блоків (юнітів), що мають розмір 10х10х10 см і масу не більше ніж 1,33 кг. Залежно від поставлених завдань, апарат може складатися з одного або кількох юнітів. Під кубсати розробляли багато стандартних конструкційних елементів (батарей, плат, датчиків, систем комунікацій), що дозволило ще більше знизити їхню вартість.

Другий важливий фактор, який сприяв успіху апаратів, — спрощена процедура їхнього виведення в космос. Під час запуску звичайних КА, навіть невеликих, замовнику доводиться платити пусковому оператору за адаптацію до розміщення кубсата в ракеті-носії та розробку індивідуального пускового контейнера. Вартість подібних операцій може навіть перевищувати ціну створення самого супутника.

Для розміщення кубсатів використовуються типові транспортні контейнери. Замовнику не треба платити за їхню адаптацію. Ба більше, універсальні контейнери дозволяють вивести за один рейс на орбіту велику кількість малих апаратів від безлічі різних клієнтів. А часом наносупутники взагалі запускаються «вручну» — шляхом їхнього викиду в космічний простір екіпажем МКС.

Контейнер NanoRacks для запуску наносупутників з борта МКС

Завдяки цим факторам зараз середня вартість одного кубсата становить 40–50 тис. доларів. Будівництво космічних апаратів перестало бути привілеєм, доступним лише невеликій групі обраних країн. Тепер їх можуть створювати практично всі — від приватних компаній до студентських колективів.

Важливу роль зіграла і мікромініатюризація електроніки. Вона дозволила не лише оснастити кубсати повноцінними системами навігації та управління, а й дала можливість встановлювати на них невеликі, відносно дешеві, але разом з тим досить потужні інструменти. Це відкрило шлях до створення «наносупутникових сузір’їв» — угруповань малих апаратів, призначених для виконання певного завдання.

Наочним прикладом може бути компанія Planet (раніше — Planet Labs). На сьогодні вона має угруповання, що складається приблизно з 200 супутників Dove, зібраних з трьох юнітів (3U). Кожен подібний апарат оснащений потужним телескопом і камерою для зйомки земної поверхні. До початку розгортання системи Starlink сузір’я Planet було найбільшим супутниковим угрупованням в історії. Завдяки цим апаратам щодоби компанія може отримувати повне зображення всієї поверхні Землі з роздільною здатністю 5 м. Такої можливості поки що немає навіть в американських військових.

Контейнер NanoRacks, закріплений на роботизованому маніпуляторі МКС, випускає наносупутники за командою операторів

Зйомка поверхні — це лише один з численних варіантів застосування мініатюрних апаратів. Їх можна використовувати для спостереження за погодою, запобігання стихійним лихам, допомоги в сільському господарстві, роздачі інтернету, регулювання транспортних потоків і багатьох інших завдань. І оскільки прогрес не стоїть на місці, технічні можливості малих апаратів поступово наближаються до «великих» супутників. Для кубсатів розробляються нові системи управління, більш ефективні сонячні батареї, акумулятори та двигуни, що дозволяють продовжити термін їхньої служби. Все це ще більше розмиває традиційну межу між різними класами космічної техніки.

Варто зауважити, що архітектура кубсата надихнула і виробників більших апаратів. Найкращим прикладом є той самий Starlink. Звичайно, ці апарати не можна зарахувати ні до нано-, ні до мікросупутників. Водночас під час їхнього створення інженери SpaceX використовували багато з тих принципів, що лягли в основу архітектури кубсата. Це дозволило налагодити повноцінне потокове виробництво апаратів. А ще зовсім недавно такі супутники збирались би фактично вручну за індивідуальними проєктами.

Основні виробники малих супутників

Зараз у світі налічується майже 75 компаній, що займаються виробництвом мікро- та наносупутників. Більшість з них зі США. Але кубсати також збирають у Європі, Азії та інших куточках земної кулі.

Конструкція кубсата ExAlta-1 (3U)

Усіх виробників малих апаратів можна умовно поділити на три основні групи. До першої належать аерокосмічні гіганти на кшталт Boeing, Airbus, Raytheon, Northrop Grumman, Sierra Nevada тощо. Для подібних компаній наносупутники — це лише один (і далеко не основний) напрям діяльності, додаткове джерело заробітку. У цьому сегменті вони насамперед орієнтуються на ринки Азіатсько-Тихоокеанського регіону та Європи, що нарощують темпи зростання.

Друга група — це підприємства на кшталт Surrey Satellite Technologies і Pumpkin Space Systems. Для них виробництво малих супутників є головним напрямом діяльності. Ці компанії займаються серійним виробництвом кубсатів та їхніх компонентів і/або складанням на замовлення з метою продажу.

І, нарешті, до третьої групи належать підприємства, що виробляють малі супутники винятково для забезпечення власних потреб і не займаються їхнім комерційним продажем для інших компаній. Основними важкоатлетами в цьому сегменті є Planet і Spire. На сьогодні вони мають найбільші розгорнуті сузір’я наносупутників, що в цілому нараховують понад 230 активних апаратів. Це приблизно третина від загальної кількості кубсатів, що функціонують зараз на навколоземній орбіті.

Крім аерокосмічних компаній, над створенням малих КА активно працюють і виші. Для університетів наносупутник — це практична реалізація теоретичних знань. Відносна дешевизна як у створенні апарата, так і в його виведенні на орбіту дозволяє студентам на практиці відпрацювати всі стадії створення супутника — від дизайну до управління на орбіті та прийому даних.

В Україні кубсати створюють у Київському політехнічному інституті.  Перший тестовий КПІшній наносупутник PolyITAN-1 запустили на навколоземну орбіту в червні 2014-го. Другий супутник — PolyITAN-2-SAU — отримував вимірювання нижньої термосфери Землі для дослідження змін клімату. Він був створений у межах міжнародного космічного проєкту QB50 і запущений у навколоземний простір 2017 року.

Обсяг і перспективи ринку мікро- і наносупутників

На початку буму малих супутників деякі експерти висловлювали думку, що цей ринок — «повітряна кулька», яка досить швидко «здується». Однак реальність не підтверджувала цих побоювань. Минулого десятиліття цей сегмент демонстрував стійке зростання. Якщо 2014 року загальний обсяг ринку мікро- і наносупутників становив $430 млн, то до 2021 року він збільшився до 3,1 млрд доларів. За прогнозами експертів, до 2026 року ця цифра збільшиться до $7,6 млрд. Навіть пандемія COVID-19 і очікувана світова економічна рецесія поки що не вплинули на ринок малих супутників.

Чому так сталося? Річ у тім, що існує низка важливих факторів, які грають на користь малих супутників. Першим є їхня дешевизна.

Через нижчу вартість проєкти наносупутникових сузір’їв мають кращі шанси пережити рецесію, ніж їхні «старші» побратими. Навіть більше, економічний спад може певною мірою сприяти виробництву кубсатів. Не виключено, що в умовах вимушеної економії деякі з проєктів супутникових угруповань, які передбачають використання великих апаратів, можуть бути переформатовані під малі КА.

Другим фактором є наявна структура ринку наносупутників. Попри те, що кубсати в основному асоціюються з різними приватними проєктами та стартапами, насправді основна частка цього ринку все ще приходиться на замовлення від різних держструктур і військових відомств.

Це пояснюється деякими унікальними можливостями, наданими кубсатам. Наприклад, рій наносупутників на низькій орбіті (на кшталт сузір’я Planet) поки що є єдиним прийнятним у плані співвідношення вартості та часу розгортання варіантом забезпечення безперервної супутникової зйомки великого регіону з високою роздільною здатністю з поновлення геоінформації майже в режимі реального часу. Можна не сумніватися, що військові навряд чи відмовляться від таких можливостей і припинять вкладатися в малі супутники.

Також варто звернути увагу на те, що переважна більшість малих супутників перебуває на низьких орбітах і термін їхнього життя становить лише кілька років. Це вимагає постійних запусків для підтримки функціональності вже існуючих угруповань. Дана потреба є основним стимулом для розвитку ринку малих носіїв. А наявність доступних і дешевих ракет у свою чергу додає впевненості інвесторам, що збираються вкластися в проєкти наносупутникових сузір’їв.

І нарешті, необхідно враховувати те, що ринок малих супутників ще не досяг своїх «фізичних» меж зростання. У прямому сенсі слова. По-перше, їх можна використовувати для місій, які передбачають розгортання на більш високих орбітах — на кшталт уже згаданого проєкту геостаціонарних кубсатів.

MarCO. Джерело: NASA

Іншим перспективним напрямом є ​​дальній космос. У 2018 році NASA провела важливий експеримент, запустивши два кубсати MarCO (Mars Cube One) до Марсу. Обидва наносупутники витримали переліт до сусідньої планети й успішно ретранслювали на Землю посадкову телеметрію зонда InSight. Цей довело можливість використання аналогічних апаратів у дослідженнях далекого космосу.

Успіх MarCO став відправною точкою для проєктів, які передбачають використання мініатюрних апаратів у міжпланетних дослідженнях. Відтоді NASA встигла видати низку контрактів на створення кубсатів для вивчення Місяця. Вже зараз на селеноцентричній орбіті працює супутник CAPSTONE, побудований компаніями Advanced Space та Tyvak Nano-Satellite Systems. Він призначений для перевірки орбіти, на яку планується у майбутньому вивести орбітальну станцію Gateway.

Крім того, у межах місії Artemis I у космос вивели групу з десяти малих апаратів. На них покладені різні завдання від пошуку льоду на Місяці до вивчення космічної погоди. На жаль, не всі з апаратів вийшли на зв’язок після відокремлення від носія. Але все ж ця подія стала величезним кроком для промисловості. А вже найближчими роками до космосу вирушать й інші малі апарати, призначені для вивчення Венери, Марса та астероїдів.

Усе це свідчить про те, що, попри поточні економічні труднощі, наносупутники все ж мають  чималий потенціал для подальшого зростання. Вже зараз вони успішно використовуються для розв’язання цілої низки завдань. А в майбутньому сфера їхнього застосування лише зростатиме.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine

[ajax_load_more single_post="true" single_post_id="105424" single_post_order="previous" single_post_target="#post-wrapper" post_type="post" css_classes="alm-btn" button_label="Завантажити ще"]