|
Доклад
на радиолюбительском фестивале Домодедово – 2007, 21 сентября 2007 года, Форум
"Молодёжь и радио". Научно-образовательный
проект: радиолюбительский
наноспутник «Северное сияние». А.Зайцев,
RW3DZ – RK3DXB, http://rk3dxb.narod.ru
, эл. адрес zait007<a>rambler.ru Введение. Развитие электроники и космической техники
привели к тому, что сегодня реально стало создание наноспутников – аппаратов
весом около 1 кг и размером стороны 10 см. Эта идея была предложена проф.
Р.Твигсом из Стенфорда в 1999 году и реализована в нескольких ведущих
университетах в США, Европы и Японии. В настоящее время в космосе работает
около 10 таких аппаратов, и в перспективе следует ожидать массового
распространения технологии наноспутников для научных исследований. Вместе с
тем «малобюджетный» характер проектов с использованием наноспутников
открывает возможность реализации экспериментов в космосе для небольших
коллективов и организаций, вплоть до студенческих и общественных объединений. Перспективные задачи под наноспутники. Ввиду бурного развития микроэлектроники и новых космических технологий при создании спутников в формате наноспутников представляется возможным реализовать ряд вполне значимых научных экспериментов. Исходя из накопленного опыта можно предложить несколько экспериментов для нескольких спутников. В качестве пробных можно рассмотреть реализацию таких экспериментов: 1. измерение флуктуаций ( пульсаций) магнитного поля в диапазоне периодов 100 сек – 5 гц. Для этих целей подходит феррозондовый микромагнитометр, пилотные образцы которых уже работали в космосе. Научная задача состоит в обнаружении флуктуаций, сопровождающих развитие струйных токов, формирующихся во время магнитосферных возмущений. Такие измерения важны для диагностики магнитосферы и детальные знания появления пульсаций во времени и пространстве востребованы как для чисто научных задач, так и для оценки «космической погоды». Впервые такого типа наблюдения были выполнены на спутнике FREYA в эксперименте SWAZI ( см. http://sd-www.jhuapl.edu/Freja/SWAZI/ ). Сегодня подтверждена возможность постановки магнитометра на наноспутник, поэтому один из экспериментов видится как конфигурация нескольких наноспутников и базового спутника на низкой полярной орбите. При удалении наноспутника на расстояние 10-50 км характер флуктуаций должен существенно различаться. При этом сбор данных с наноспутников может идти через базовый спутник. Такой эксперимент позволит провести сравнение наземных и спутниковых данных для поиска динамической связи в изменениях магнитного поля на разных уровнях: магнитопауза – магнитосфера - ионосфера. 2. эксперименты по радиопросвечиванию ионосферы с помощью радиомаяков. Эти методы применяются для исследования состояния ионосферы во время возмущений и оценки влияния этих возмущений на качество работы навигационных систем типа GPS, ГЛОНАСС и т.д. В настоящее время работает система КОСМИК, разработанная совместно США и Тайванем, которая состоит из пяти микроспутников. Расширение экспериментов по радиопросвечиванию могут служить дальнейшему развитию навигационных систем и прикладным задачам по оценке состояния космической среды что важно для прогнозов космической погоды. При бортовой электрической мощности в 2-3 вт на наноспутник можно установить когерентный радиомаяк на частоты 150, 400 и 1200 Мгц и выполнить качественные эксперименты по радиопросвечиванию ионосферы. 3. эксперименты по исследованию условий распространения радиоволн в СВЧ диапазонах. Эта задача особенно важна ввиду широкого использования СВЧ диапазонов для космической связи. Предлагается поставить на наноспутник ретранслятор на любительский диапазон 5,7 Ггц, и использовать его для проведения опытных связей. Подобный эксперимент планируется осуществить на радиолюбительском спутник EAGLE (см. www.amsat.org) в 2008 году, разработчиками которого являются известный радиоастроном Том Кларк, W3IWI, (НАСА) и специалист по широкополосным цифровым системам связи Фил Карн, (Phil Karn, KA9Q), автор протокола TCP-IP. Большой вклад в развитие систем космической связи внесли исследователь квазаров и лауреат Нобелевской премии, профессор Принстонского Университета Джо Тэйлор, (K1JT), разработчик СВЧ-аппаратуры для связи через Луну С.Жутяев (RA3DA), и многие другие. Количество экспериментов с применением наноспутников стремительно растет. Очевидно, наступает период подобный тому, который мы пережили при внедрении персональных компьютеров – вместо громадных «мэйнфреймов» вычисления перешли на персональные компьютеры и на системы «кластерного» типа, объединившие множество персональных компьютеров. Созвездия наноспутников помогут расширить космические исследования и достигнуть новых результатов в практическом освоении космического пространства. В сети Интернет имеется обширная информация по поводу наноспутников. Часть информации собрана в обзоре (1), некоторые данные по радиолюбительским спутникам в (2). Каждый год в Университете штата Юта проводится конференция по малым спутникам. Один из первых докладов по наноспутникам был представлен там в 2002 году, см. (3). Технология построения наноспутников. С момента начала разработки и использования наноспутников в 1998 году к 2007 году сложился определенный стандарт при работе над проектами наноспутников. Создано несколько общественных объединений разработчиков наноспутников, см. www.cubesat.org. Было предложено, что наноспутник представляет собой куб с размером стороны 10 см и весом 1 кг. Для запуска с борта носителя используется устройство в виде трубы, куда закладывается 3 наноспутника, отделяемые по автономным командам. Можно в такую трубу заложить спутник в 2-3 раза больше одинарного наноспутника. Перечисли основные показатели наноспутника. 1. Конструкция спутника – куб со стороной 10 см, вес 1 кг. При необходимости постановки экспериментов, требующих больших возможностей, размер наноспутника можно увеличить кратным образом - двойной или тройной наноспутник. Конструктив наноспутника выполнен из простых материалов - алюминиевые стенки, печатные платы внутри, электрические соединения со стороны разъемов. 2. Блок питания и солнечные батареи обеспечивают
5 и 12 вольт, общая мощность 3 вт. Система регулирования зарядки от солнечных
батарей, контроль батарей, преобразователи-стабилизаторы 5 и 12 вольт и т.д. 3. Система связи состоит из двух микросхем – приемник и передатчик 144 - 430 Мгц в пределах радиолюбительских диапазонов. Мощность передатчика 500 мвт или 1 вт, выбирается по команде с Земли. Скорость передачи по линии вниз - 1200 или 9600 байт/сек, линия вверх - прием 300 / 1200 байт/сек, антенна – скрещенные проволочные диполи на 144 и 430 мгц. 4. Бортовой компьютер – 8-битовый процессор с микропотреблением, общая шина под USB порты, система перезагрузки и т.д. Используются разработки готовых систем под микроконтроллеры и микросотовой связи, протокол связи по АХ-25. Система сбора данных включает аналоговые и цифровые входы. 5. Датчики делятся на две группы. 1 группа – служебные датчики состояния батарей, температуры в 4-х точках, навигация, солнечный датчик, система ориентации по магнитному полю, 2 группа – научные датчики: измеритель пульсаций магнитного поля, детекторы частиц, CCD-камера. Возможна установка любых других датчиков под конкретный научный эксперимент. 6. Система ориентации и навигации включает два прибора – колечную систему для ориентации по магнитному полю (алгоритм М.Ю.Овчинникова), и GPS-GLONASS приемник. Орбитальные элементы задаются при запуске. Как правило, пробные запуски проводятся на солнечно-синхронную орбиту, затем возможен запуск на любые LEO орбиты. Наземный сегмент под
наноспутники. Успех
проектов с наноспутниками определяется не столько самим изготовлением аппарата для запуска в космос – этот этап
безусловно важен и с него начинается весь проект – но и наличием развитого
наземного сегмента. В случае научно-образовательного проекта необходимо иметь
по крайней мере несколько десятков школьных и университетских наземных
станций, могущих принимать телеметрию (данные), а также засылать команды на
управление спутником. Кроме того, наземные школьные станции являются опорой
учебных программ, а кураторы таких станций и руководители проектов выступают
в качестве ключевых персон для расширения подготовки будущих специалистов в
области космических исследований. Именно ввиду необходимости большого числа
наземных станций для связи с микро и наноспутниками используются
радиолюбительские частоты, в основном УКВ диапазоны 144, 430 и 2400 Мгц. Для
этих диапазонов массово выпускается аппаратура связи по вполне доступным
ценам, что делает возможным повторение и копирование аппаратуры для наземных
станций и стандартных приемов/программ для организации связи со спутниками.
Кроме этого, использование сети Интернет обеспечивает быстрый обмен
информацией и развитие виртуального сообщества молодых исследователей и
экспериментаторов, использующих оптимальные решения всех задач, связанных с
созданием, запуском и управлением наноспутников. Реализация проектов по
наноспутникам. В течении 2007-2008 гг. ожидается запуск не менее
50 наноспутников по проектам во всех развитых странах. В Китае, Бразилии и
Индии проекты по наноспутникам выставлены как приоритетные национальные
задачи, поддерживаемые на государственном уровне. В России разработкой
наноспутников занимается РНИИ КП. Реализация проекта по наноспутнику «Северное сияние» планируется нами по примеру работы над микроспутником «Колибри-2000», которая была выполнена МОО «Микроспутник» в 1998-2001 гг. Микроспутник «Колибри-2000» был успешно запущен в марте 2002 года и показал хорошие результаты. Для работы по проекту «Северное сияние» предлагается создать общественное объединение из специалистов и энтузиастов космических исследований, включая ученых ИКИ, ИЗМИРАН, НИИЯФ и использовать опыт работы МОО «Микроспутник», в котором выполнить все необходимые поисковые работы. Для реализации конкретного проекта использовать техническую базу СКБ ИКИ или одного из ведущих университетов, для вывода в космос использовать попутный запуск с одной из программ Военно-космических сил РФ или коммерческой организации «Космотрас», которая специализируется на запусках микро и наноспутников ракетой «Днепр». Финансовая сторона проекта может быть решена за счет грантов из национальных проектов по развитию образования и высоких технологий, а также спонсорской помощи со стороны частных и государственных компаний. 17 апреля
2007 года успешно проведен запуск ракеты «Днепр» с серией космических аппаратов «ЕгипетСат-1»
(Египет), «СаудиСат-3», 5 микроспутников «СаудиКомсат» (Саудовская Аравия) и
7 наноспутников типа «КубСат» (университеты США и Колумбии). Спустя несколько
часов были получены данные, что все наноспутники работают нормально. Этот
запуск еще раз подтверждает перспективность проектов с наноспутниками для
науки и образования. В течении учебного года 2007-2008 гг. нами планируется собрать коллектив единомышленников и приступить к разработке российской версии радиолюбительского наноспутника «Северное сияние». Базой для работы может служить Троицкий Центр творчества молодежи «Космическая связь и информатика». Саму идею поддерживают НП ИНТЕХ, ООО «ГРАНИТ», образовательные структуры в МГУ, МВТУ, ФИЗТЕХа, и т.д. В качестве первых шагов необходимо провести учебные и конструкторские работы по следующим направлениям ( для групп школьников, студентов и радиолюбителей) :
Как видно из этого изложения, осталось начать и кончить. Но радиолюбители всегда отличались тем, что невозможное делали возможным. И в этом случае мы все надеемся то, что радиолюбительский наноспутник будет сделан и будет запущен ! Все идеи и соображения по проекту просьба присылать на имя А.Н.Зайцева (RW3DZ): эл.почта : zaitsev<a>izmiran.ru
или zait007<a>rambler.ru директор (на общественных началах), г.Троицк,
Московской обл, В-39, 17 этаж Литература.
|