От сферы к кубсату: как менялись искусственные спутники Земли

Фото: Unsplash
Фото: Unsplash
С момента отправки на орбиту Земли первого искусственного спутника прошло 65 лет. Современные сателлиты выпускают даже в наноформате, и в космосе они выполняют самые разные функции

Первый искусственный спутник был запущен на орбиту Земли 4 октября 1957 года. Его разработали советские ученые во главе с Сергеем Королевым. Спутник провел на орбите 92 дня, совершив 1440 оборотов вокруг планеты. Этот запуск позволил изучить верхние слои ионосферы, а также получить важнейшие для дальнейших запусков сведения об условиях работы аппаратуры в космосе. В наши дни число действующих искусственных спутников Земли приблизилось к 5 тыс. РБК Тренды рассказывают, как за 65 лет эволюционировали спутники и какую роль они играют сегодня.

Первые спутники

«Спутник-1» — это первый спутник Земли в истории человечества, его также обозначают как ПС-1 (простейший спутник № 1). Он был выполнен в форме шара из алюминиево-магниевого сплава массой 83,6 кг и диаметром 58 см. Оболочка шара открывалась как две полусферы, давая доступ к внутренностям спутника. На нем не было никакой научной аппаратуры, кроме датчиков температуры и давления. Он был оснащен также радиопередатчиком с четырьмя антеннами, который выдавал короткие импульсы на длинах волн 20,005 и 40,002 МГц. Благодаря этим радиопередачам астрономы и радиоинженеры вычисляли параметры полета спутника. Также внутри спутника располагалась система питания весом почти 50 кг. Аппарат спроектировали менее чем за один год.

Макет устройства первого искусственного спутника Земли на выставке в честь 40-летия запуска
Макет устройства первого искусственного спутника Земли на выставке в честь 40-летия запуска (Фото: kosmoved.ru)

Спустя всего 32 дня после первого старта СССР запустил «Спутник-2» с живым пассажиром на борту — собакой Лайкой. Аппарат представлял собой конусообразную капсулу высотой 4 м с диаметром основания 2 м. Капсула весила около 500 кг. Инженерные и биологические данные передавались со спутника через телеметрическую систему «Трал». Аппарат выходил на связь в течение 15-минутного периода на каждом витке. На борту «Спутника-2» разместили два фотометра для измерения солнечной радиации (ультрафиолетового и рентгеновского излучения) и параметров космических лучей. Показания аппарата позволили обнаружить внешний радиационный пояс Ван Аллена ближе к северным широтам Земли.

«Спутник-2»
(Видео: Тимур Гаранин: Архив научно-популярных фильмов / YouTube)

Первый метеоспутник

В 1960 NASA успешно запустило первый успешный метеорологический спутник Tiros-1. Он передавал инфракрасные изображения облачного покрова Земли и был способен обнаруживать и наносить на карту ураганы.

Корпус спутника был выполнен в виде 18-сторонней призмы, а аппарат питали солнечные ячейки и никель-кадмиевый аккумулятор. Tiros-1 оснастили двумя видиконами (телекамерами) — широкоугольным и узкоугольным. Изображения с них передавались на наземную приемную станцию или сохранялись на бортовом магнитофоне, когда спутник выходил за пределы действия станции. Аппарат проработал с 1 апреля по 15 июня 1960 года, однако до сих пор находится на орбите.

Tiros-1
Tiros-1 (Фото: airandspace.si.edu)

Первый спутник связи

В 1962 году NASA запустило первый телекоммуникационный спутник Telstar-1. Он позволил осуществить первую прямую трансляцию телевизионных изображений между Соединенными Штатами и Европой. Для передачи сигнала использовалась 53-метровая наземная антенна производства корпорации AT&T. Спутник в форме сферы весил 78 кг и питался от 3600 солнечных элементов. Он работал с активным ретранслятором, который усиливал мощность сигнала в сто раз.

Telstar-1 успел проработать всего семь месяцев, прежде чем его вывели из строя высотные испытания ядерных боеголовок США Starfish Prime в космосе. Хотя спутник больше не функционирует, он остается на околоземной орбите. Запуск аппарата позволил сформировать международный глобальный спутниковый консорциум (Intelsat), который управляет группировкой спутников связи, предоставляющих услуги международного вещания.

Telstar-1
Telstar-1 (Фото: nssdc.gsfc.nasa.gov)

К современным спутникам связи можно отнести, к примеру, группировку Starlink от SpaceX, которая предоставляет услуги интернет-доступа в регионах Земли с плохой связью.

Первый спутник для сбора геоданных

В 1972 году НАСА запустило Landsat-1, первый спутник для изучения земных ресурсов. Он был построен на платформе метеоспутника. Для мониторинга на аппарат установили два инструмента: систему камер Return Beam Vidicon, созданную Американской радиокорпорацией, и многоспектральный сканер от компании Hughes Aircraft Company. Прибор MSS записывал данные в четырех спектральных диапазонах — зеленом, красном и двух инфракрасных диапазонах. Аппарат оснастили подсистемой сбора данных (DCS) для сбора информации с удаленных наземных станций и их передачи в центральные станции обнаружения. Спутник имел два широкополосных видеомагнитофона, способных хранить до 30 минут данных со сканера или камеры. Он весил 953 кг и имел размеры 1,5×3 м.

Landsat-1
Landsat-1 (Фото: nssdc.gsfc.nasa.gov)

Landsat-1 проработал до января 1978 года, что было больше расчетного срока службы на пять лет. Спутник собирал изображения лесов, городских районов и источников воды на Земле. NASA запустило масштабную программу Landsat для оценки естественных и антропогенных изменений на Земле, которая действует более 40 лет. В настоящее время на орбите работает спутник Landsat-9. Эта последняя версия спутника использует оптические и тепловые датчики для захвата изображений.

Первый навигационный спутник

В 1974 году NASA запустило первый навигационный спутник NTS-1 по программе NavStar (NAVigation System with Time And Ranging, русс. «Время и дальность действия навигационного спутника»). Его разрабатывали при поддержке Минобороны США. Аппарат весил 293 кг и питался от четырех развертываемых солнечных батарей. Он был оснащен генераторами сигналов из кварца и рубидия. Спутник транслировал микроволновый сигнал из космоса, а приемник на Земле использовал его для вычисления своего положения в пространстве по трем координатам в режиме реального времени. Позднее программу NavStar переименовали в GPS (Global Positioning System, русс. «Система глобального позиционирования»).

В 1994 году заработала первая группировка GPS из 24 геостационарных спутников. Данные со спутников используются не только в сфере навигации и обороны, но и в телекоме, геодезии, картографии и так далее. К 2022 году ВВС США разработали GPS-спутник нового поколения NTS-3, который можно перепрограммировать прямо на орбите под различные нужды, а благодаря усиленной антенной решетке можно регулировать мощность его сигнала.

Художественное изображение спутников NTS-1, NTS-2 и NTS-3
Художественное изображение спутников NTS-1, NTS-2 и NTS-3 (Фото: AFRL Space Vehicles Directorate)

Мини-спутники

В 1999 году профессор Джорди Пуч-Суари из Калифорнийского политехнического государственного университета и Боб Твиггс из Стэнфордского университета предложили эталонный проект CubeSat — миниатюрный спутник для космических исследований. Он состоит из нескольких кубических блоков размером 10 см×10 см×10 см и массой не более 1,33 кг каждый.

CubeSat впервые использовали для научной миссии НАСА Ames. В 2006 году группа Biological CubeSat запустила спутник GeneSat-1 для проведения биологических экспериментов в космосе. Так, кубсат нес биологические образцы, чтобы проанализировать влияние невесомости на деградацию мышц человека. Образцы не требовалось возвращать на Землю, так как спутник с помощью датчиков собирал информацию об их состоянии и передавал ее. В 2018 году мини-спутник впервые использовали в межпланетной миссии Mars InSight. Два кубсата MarCO A и B послужили ретрансляторами связи для посадочного модуля, когда он достиг поверхности Марса.

Кубсаты обычно запускают партиями либо с ракет-носителей, либо с борта грузовых космических кораблей и орбитальных станций. Большинство кубсатов несут один или два научных прибора с небольшими выдвижными антеннами и солнечные батареи. Запуск кубсата может запросить, к примеру, университет, при этом мини-спутник могут изготовить сами студенты.

Кубсат Тартуского университета
Кубсат Тартуского университета (Фото: amsat-uk.org)

Дополнительно кубсат можно оборудовать селфи-камерой, солнечным парусом, флеш-памятью для удаленного хранения данных, приемниками сигналов и другим оборудованием. Благодаря технологиям 3D-печати производство малых спутников становится дешевле, а сами они могут выполнять все более широкий спектр задач.

Наноспутники

Ученый Зак Манчестер из Стэнфордского университета в 2011 году представил модель крошечного фемтоспутника KickSat. По сути, это кубсат, который вмещает сотню спрайтов — компьютерных плат с антенной, каждая из которых способна работать как микроспутник. Пожертвования на такие программируемые платы Манчестер собирал на Kickstarter. Предполагается, что такой аппарат стоимостью несколько сотен долларов доступен каждому. Пока KickSat запустили в космос только дважды.

Моделирование развертывания KickSat
(Видео: spaceborne / YouTube)

Какими будут спутники

С «зелеными» двигателями

Сейчас в спутниках, в основном, используются электрические двигатели, однако разработчики предлагают более экологичные варианты — электромагнитные, ядерные, солнечные, водные, лазерные и даже йодные двигатели.

Например, сингапурский стартап Aliena производит миниатюрные экологичные двигательные установки MUSIC Electric Propulsion System для мобильности малых спутников в космосе. Двигатели на плазме позволяют операторам малых спутников сократить потребление ими топлива.

Плазменные двигатели Aliena
Плазменные двигатели Aliena (Фото: aliena.sg)

Инженеры французской компании ThrustMe испытывают двигатель на йоде. Он призван заменить в двигательной установке ксенон, редкий в природе газ с небольшой силой тяги. Компания уже провела на околоземной орбите серию успешных испытаний двигателя NPT30-I2. Как отметили разработчики, конструкция двигателя на йодном топливе более компактная и простая, так как ей не нужны газовые баки, системы контроля давления и другие технологии.

С высокой пропускной способностью

Спрос на спутниковую мобильную и широкополосную связь растет, и поставщики услуг разрабатывают решения для увеличения пропускной способности своих спутников. Компании внедряют передовые ретрансляторы для передачи данных со скоростью несколько сотен гигабайт или даже терабайт в секунду, а также внедряют улучшенные антенны. Это позволяет спутникам работать в диапазонах частот Ku и Ka, которые обеспечивают большую пропускную способность сигнала. Спутники Starlink уже способны подключать пользователей к интернету как в труднодоступных регионах суши, так и на воде и даже в воздухе.

Фото:Анастасия Диева / ТАСС
Экономика инноваций Наш ответ Starlink: кто делает и запускает спутники связи в России

А американский стартап Cesium Astro разработал систему с активной фазированной решеткой Vireo для спутников с ограничениями по размеру, весу, полезной нагрузке и стоимости. В активной фазированной решетке каждый элемент имеет свой собственный миниатюрный передатчик и приемник. Использование этого решения в антенне спутника дает контроль над энергопотреблением и производительностью спутникового созвездия.

Система Vireo
Система Vireo (Фото: cesiumastro.com)

C парусами

Начиная с 2015 года, NASA испытываeт технологию принципиально нового источника перемещения спутников — солнечный парус. В рамках программы Advanced Composite Solar Sail System агентство разработало развертываемую конструкцию такого паруса, который сможет нести спутник, используя энергию солнечного света. Это позволит сэкономить ракетное топливо, которое тратится на вывод спутников на орбиту. Стрелы паруса сделаны из композитных материалов с углеродным волокном. Потенциально на нем можно будет запускать спутники раннего предупреждения о космической погоде, миссии по разведке околоземных астероидов или ретрансляторы связи для пилотируемых исследовательских миссий. Первый запуск кубсата с таким парусом намечен на начало 2023 года.

Солнечный парус
Солнечный парус (Фото: nasa.gov)

Из долговечных материалов

NASA намерено через несколько лет запустить на околоземную орбиту робота обслуживания спутников (OSAM-1) для дозаправки спутника дистанционного зондирования Landsat-7. OSAM-1 с помощью роборуки аккуратно разрежет слой изоляции и открутит один болт, чтобы заправить аппарат гидразиновым топливом, более экологичным видом ракетного топлива. Если миссия будет успешной, то в перспективе робот сможет поддерживать работу спутников на орбите без необходимости привлекать для этих целей астронавтов. Сам аппарат при этом сможет работать дольше изначально запланированного срока. OSAM-1 можно будет регулярно отправлять на орбиту и возвращать обратно на Землю.

Как OSAM-1 будет работать на орбите
(Видео: Maxar Technologies / YouTube)

Из экоматериалов

За более чем полувековую историю спутники в основном изготавливались из алюминия, который, хотя и является прочным, но небезопасен для окружающей среды и является не самым дешевым материалом. Теперь разработчики экспериментируют с материалами — например, японская лесозаготовительная компания Sumitomo Forestry совместно с университетом Киото обещает в 2024 году запустить кубсат из дерева. Аппарат будет содержать электронную подложку, которая снаружи будет покрыта древесиной и солнечными панелями. Авторы идеи отмечают, что дерево не препятствует проникновению электромагнитных волн, и на спутник можно будет установить антенну. При этом он сгорит при сходе с орбиты. Компания будет испытывать разные типы древесины.

Макет кубсата из дерева
Макет кубсата из дерева (Фото: asia.nikkei.com)

Обновлено 06.10.2022
Главная Лента Подписаться Поделиться
Закрыть