Долгие годы развитию космонавтики мешали (помимо очевидных политических причин) фундаментальные научные и технологические ограничения, которые казались непреодолимыми: достигнут предел эффективности химических двигателей, высокая стоимость пусков, длительная окупаемость проектов.
Однако прогресс в микроэлектронике позволил резко снизить размер, массу космических аппаратов и, соответственно, их стоимость. Еще недавно мы удивлялись кубсатам размером 10×10 см, а уже появились совсем крошечные фемтоспутники весом 10 г и размером со спичечный коробок. Такие спутники могут перемещаться в космическом пространстве и решать множество прикладных задач, на каждую из которых аппарат тяжелого класса не запустишь. Эти достижения открывают совершенно новые, порой просто фантастические возможности.
Поговорить о специфике этих аппаратов мы решили с Дмитрием Новосельцевым, доцентом кафедры авиа- и ракетостроения Омского государственного технического университета, к. т. н., основателем и генеральным директором молодой технологической компании «Д-Старт», участника акселератора «Архипелаг».
Его космический стартап разрабатывает линейку принципиально новых двигателей «Импульс» для самостоятельных маневров сверхмалых космических аппаратов (СМКА).
Фемтоспутники меняют правила игры в частном космосе
СМКА, например фемтоспутники (см. классификацию в таблице ниже), могут выполнять полезные функции ничем не хуже своих крупных «коллег»: работать как датчики, фотокамеры, антенны и нести другую полезную нагрузку, самостоятельно или взаимодействуя с соседними более крупными аппаратами.
Сверхмалые КА значительно расширили возможности космонавтики, снизив порог входа в отрасль, — теперь освоением космоса могут заниматься небольшие компании и даже частные лица. Единственная их проблема состоит в том, что такие крошечные аппараты пока не способны летать самостоятельно.
Вот что об этом говорит Дмитрий Новосельцев:
— Химические двигатели, используемые на больших КА, принципиально не годятся: в миниатюрном виде они просто не могут работать. Таким образом, нужны аппараты, которые работают на иных физических принципах. — В то же время, — продолжает руководитель «Д-Старта», — на объекты, находящиеся на орбите, действуют негравитационные силы, в частности возмущения верхней атмосферы или магнитного поля Земли. Из-за них мини-КА могут летать неустойчиво, появляется опасность столкновений.
Недавно Институт прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН опубликовал научную работу, посвященную этой теме. Она называется «Исследование популяции объектов космического мусора с большим отношением площади к массе на высоких околоземных орбитах». Ученые в ней описали поведение легкого объекта площадью как лист формата А4, который на орбите Земли будет сильно мотаться во все стороны, и его траектория будет непредсказуема, так как такое движение не подчиняется кеплеровским законам.
При этом фемтоспутник уже сейчас стоит примерно как бюджетный смартфон — проблема в том, чтобы разместить его там, где он нужен, а потом убрать оттуда, где уже не нужен. Получается, что на пути использования столь перспективных сверхмалых КА (СМКА) стоит технологический барьер: они не могут маневрировать. И эта проблема с логистикой сводит на нет их конкурентные преимущества.
Какую же задачу взялась решить команда Дмитрия Новосельцева? Формально она звучит так: «Д-Старт» преодолевает проблему самостоятельного точного выведения СМКА на целевые орбиты («задача последней мили»). И их поддержания там, маневрирования, деорбитинга. А также решает задачу удаления космического мусора.
Классификация космических аппаратов по массе:
Сверхтяжелые | от 35 т |
Тяжелые | 15–35 т |
Средние | 5–15 т |
Легкие | 0,5–5 т |
Малые (мини-) | 100–500 кг |
Сверхмалые (микро-) | 10–100 кг |
Наноспутники | 1–10 кг |
Пикоспутники | 0,1–1 кг |
Фемтоспутники | менее 100 г |
Занять слоты на орбите раньше конкурентов
Дмитрий Новосельцев:
— Если мы говорим о ближайшем космосе, одна из задач была озвучена на осенней (октябрь 2023 г.) сессии платформы НТИ «Ближний Космос (Дальнее Небо)». Там, в частности, говорилось о том, что количество слотов для спутников на столь востребованных низких орбитах ограничено. Поэтому для того, чтобы в будущем иметь туда гарантированный доступ, надо их постепенно занимать маленькими аппаратами. Пусть они будут простенькие и выполняют несложные задачи, но будут «держать флаг», показывать, что это место занято и здесь уже работаем мы.
И еще одна задача. Группировки таких простых аппаратов, оснащенных двигателями для поддержания орбиты, — по сути, это тонкие фольгированные пластинки, отражающие радиоизлучение, — могут быть размещены на орбите так, чтобы сформировать пятно над северным полушарием в районе Северного полюса. Зачем это нужно? Дело в том, что там сильно разреженная ионосфера, которая не позволяет использовать УКВ-связь. В итоге обеспечение устойчивой радиосвязи в высоких широтах (близких к полюсам) затруднено из-за упомянутой нестабильности. И развертывание на эллиптических околополярных орбитах подобных пассивных радиоотражательных группировок из фемтоспутников с отражающей поверхностью и термосублимационными двигателями «Импульс-С» может стать одним из решений проблемы.
Что мы видим на фото вверху: это макет спутника, в реальности — две соединенные платы вместе имеют размер 35×35 мм и массу около 10 г. Справа от плат на ленточной подвеске — модель двигателя. В нем при солнечном нагреве газифицируется материал типа парафина. В результате двигатель должен будет «дернуть» спутник в сторону от основного роя, что должно было быть зафиксировано датчиком координат на спутнике. Еще на спутнике специально установлен датчик температуры, давления и химического состава среды. Затем эта лента должна была быть использована как тормоз, чтобы свести спутник с орбиты.
Запуск такой группировки может осуществляться единым блоком с последующим переводом на эллиптическую орбиту с помощью двигателя «Импульс-У». Затем спутники разделяются и поддерживают орбиту за счет микротяги. Таким образом можно быстро развернуть надежную связь в высоких широтах. Это недорогое решение, а двигатели фемтоспутников будут работать, пока не израсходуют рабочее тело. Затем пятно рассеивается, аппараты сходят с орбиты и самоуничтожаются в атмосфере, занятый ими слот высвобождается.
Что под капотом
Дмитрий Новосельцев:
— Если говорить о физических принципах технологии, которую мы предлагаем, то тут все достаточно просто. Представим себе поверхность, на которую действует сила, создавая распределенное давление. В результате эта сила толкает поверхность в своем направлении. Один из самых известных проектов, основанных на таком принципе, — ядерно-импульсный «взрыволет» Orion, разработкой которого занимался недавно ушедший от нас Фримен Дайсон.
На другой стороне спектра — солнечные паруса, где огромная площадь подвергается слабому, но постоянному давлению. Наши двигатели находятся где-то посередине этого диапазона. Мы разрабатываем импульсные двигатели и двигатели малой тяги, а также импульсные системы с внешними источниками энергии.
Самый базовый продукт, с которым мы сейчас выходим на рынок для современных спутников, — это простой импульсный двигатель. Он создает быстрые, но умеренные импульсы для изменения орбиты, обеспечивая приращение скорости на десятки метров в секунду. Более мощный двигатель может попросту разрушить спутник. А что такое «более мощный»? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо небольшое пояснение. По полному импульсу, приращению скорости и ускорению двигатели для СМКА классифицируются следующим образом:
1. Малые двигатели (для пикоспутников и фемтоспутников)
Полный импульс: ~8 Нс
Приращение скорости: от нескольких м/с до десятков м/с
Применение:
Маневрирование малых спутников
Коррекция орбиты
Деорбитинг (достаточно ~15 м/с)
Особенность: собираются в блоки для увеличения тяги
2. Средние двигатели (для кубсатов)
Полный импульс: ~400 Нс
Приращение скорости: до 80 м/с (например, для подъема орбиты на 200 км)
Применение:
Изменение высоты орбиты
Маневрирование кубсатов
Деорбитинг
Ограничение: кубсаты выдерживают ударное ускорение 15–20 G, поэтому более мощные двигатели нецелесообразны
3. Высокоимпульсные двигатели (гипотетическое применение)
Полный импульс: 400 Нс (например, двигатель массой 260 г)
Применение:
Теоретически возможна установка на сверхлегкие аппараты (например, 10-граммовый фемтоспутник)
Запуск малых спутников с низкой околоземной орбиты к Луне
Особенность: могут выдерживать перегрузки до 300 000 G, но такие системы пока не реализуются на практике
Новый форм-фактор позволит выдерживать огромные нагрузки
Новые разработки, рассказал Дмитрий Новосельцев, включают конструктивные решения, в которых все элементы не интегрируются в корпус в виде стеллажа, как это делается сейчас, а укладываются в иной, более эффективной компоновке.
Например, в современных кубсатах платы монтируются в корпус этажеркой, а в перспективных КА — встраиваются и закрепляются внутри жесткой конструкции, по всей их поверхности. И в перспективе космический аппарат недалекого будущего будет представлять собой монолитный твердотельный блок, своего рода «кирпич», способный выдерживать перегрузки в сотни тысяч G.
Для таких КА можно использовать достаточно большие ускорения и приращения скорости в десятки километров в секунду и обеспечивать отлет с околоземной орбиты во внешнюю Солнечную систему и дальше. И если мы к этому двигателю подведем энергию, например от импульсного лазера, его энергетика повысится, а конструкция двигателя при этом не изменится.
Испытания макетов на пусковые нагрузки были проведены на прототипе ракеты компании «Успешные ракеты» в декабре 2021 года.
В таблице внизу: линейка импульсных двигателей, которые компания готова изготовить уже сейчас.
Как извлечь из космического мусора импульс для движения
Дмитрий Новосельцев:
— Еще одна серьезная проблема — массовый запуск малых аппаратов усугубляет проблему космического мусора. Даже спутниковые «созвездия», формируемые SpaceX, выводят на орбиту сотни микроспутников, которые создают риски для других космических миссий. А когда речь зайдет об огромном количестве сверхмалых аппаратов, проблема еще более усугубится. После такого прогноза регуляторы космической отрасли в США закрутили гайки. Теперь новые спутники, не имеющие системы увода, — по сути, двигателя, который уберет аппарат после окончания его работы с орбиты, — вообще в космос не выпустят. Соответственно, никто не возьмется и страховать такой пуск.
Но мы предлагаем интересное решение. Сейчас на орбите накопилось около восьми тысяч тонн космического мусора, который обладает значительной кинетической энергией относительно Земли и других объектов. По сути, это гигантский маховик из обломков, вращающийся вокруг планеты.
Один из наиболее простых способов борьбы с мусором — отправить небольшой аппарат с импульсным двигателем, который, столкнувшись с фрагментом мусора на низкой скорости, прикрепится к нему и скорректирует его траекторию так, чтобы он сошел с орбиты и сгорел в атмосфере.
Однако запуск такого спутника требует значительных затрат энергии, как на его выведение, так и на выполнение задачи. А что если использовать саму энергию столкновения? Подобно тому, как попутный газ на нефтяных промыслах начали применять как источник энергии, можно превратить орбитальные столкновения в полезный процесс.
Так вот, наша перспективная идея заключается в том, чтобы организовать контролируемые столкновения мусора с рабочим телом двигателя. Это позволило бы высвобождать дополнительную энергию, создавая импульс мощнее, чем при обычном химическом взрыве рабочего тела. Полученную энергию можно использовать для создания тяги. Ключевая задача — научиться точно направлять фрагменты мусора. В перспективе на орбите будут работать аппараты, занимающиеся сбором мусора, но не для его непосредственного удаления, а для перенаправления на столкновение с модулями, содержащими рабочее тело двигателей. Таким образом, процесс очистки орбиты будет не только снижать количество мусора, но и генерировать дополнительную энергию для космических миссий. Для реализации этой идеи необходимо создать «единую диспетчерскую» всех бесхозных объектов в космосе. Пока это невозможно из-за международной обстановки. Надеюсь, в тридцатые годы мы сумеем ее реализовать.
В перспективе — гаджетизация космоса и создание резервного кода цивилизации
Дмитрий Новосельцев:
— В ближайшие 5–10 лет нам предстоит разработать концепцию массового использования малых двигателей. В обиходе уже появилось выражение «гаджетизация космоса». Думаю, с малыми космическими аппаратами произойдет то же, что и с атмосферными дронами. Они станут доступными широкому кругу пользователей, но для этого их нужно сделать управляемыми, чтобы они могли лететь туда, куда нужно. А значит, оснащение таких аппаратов двигателями станет необходимостью.
Еще одна важная задача — упростить процесс их запуска. Сейчас малые КА вынуждены ждать очереди, чтобы отправиться в космос в качестве попутной нагрузки, что требует интеграции с основным спутником. При этом их выводят на орбиту не всегда там, куда нужно владельцам, а, скорее, там, где получится.
У нас есть идея сделать импульсные двигатели значительно мощнее и буквально «выстреливать» такие аппараты прямо с Земли в нужную точку, на нужную орбиту, в нужное время. Это, конечно, потребует решения ряда юридических вопросов, но, возможно, появятся специализированные полигоны, откуда владельцы смогут запускать свои сверхмалые спутники массой в десятки или сотни граммов.
Для дальнего космоса мы разрабатываем новые конструкции КА, адаптированные для запуска с использованием импульсных двигателей, создающих более сильное ускорение. Но освоение вселенной ограничено не только технологическими и финансовыми барьерами, но и вопросами целеполагания. Какой смысл отправлять людей туда, где поддержание их жизни потребует колоссальных ресурсов? Но, с другой стороны, ведь есть проблема конечности существования нашей цивилизации. Что останется после нас? Вспомним знаменитую фотографию Земли из дальнего космоса — «бледно-голубую точку» и слова Карла Сагана:
Карл Саган: «Взгляните на эту точку. Это здесь. Это наш дом. Это мы. Все, кого вы любите, все, кого вы знаете, все, о ком вы когда-либо слышали, все когда-либо существовавшие люди прожили свои жизни на ней».
Но ведь человечество может изменить эту ситуацию с помощью миниатюрных и недорогих космических аппаратов, организовав их массовую отправку. И эти миссии можно разделить на две категории. Первая — отправка простейших аппаратов с набором катализаторов для органического синтеза сложных соединений в протопланетные диски стабильных звезд, где только формируются планеты. Наши «кирпичи» смогут попасть в зону гравитационного захвата таких звезд и оказаться в их протопланетных дисках, что теоретически может повысить вероятность возникновения жизни. Вторая — рассылка носителей информации о нашей цивилизации. На специальных «флешках», записанных с помощью технологий наподобие туннельной микроскопии, будут храниться значимые данные о человечестве, которые, возможно, когда-нибудь найдут и интегрируют в свою культуру другие цивилизации.