На початку нового року відбулася важлива для нашої космічної галузі подія — наносупутник PolyITAN-HP-30, який створила команда фахівців НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського», успішно виведено на навколоземну орбіту. Отже, університет вкотре підтвердив свою спроможність виготовляти високотехнологічну продукцію, спираючись на власний досвід і технологічну базу. У день старту команда розробників супутника зібралася в Ситуаційному центрі КПІ. Спостерігаючи за запуском наживо, фахівці докладно розповіли, як створюються і працюють супутники, а також обговорили перспективи космічних досліджень.
PolyITAN-HP-30створила наукова група під керівництвом старшого наукового співробітника навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики КПІ Бориса Рассамакіна. Він став третім із серії апаратів класу СubeSat Київської політехніки, які успішно виведено в космос.
Шлях від фестивалю до орбіти
А починалося все на світанку 2010-х. Як розповів журналістам ректор КПІ Михайло Згуровський, коли після перших лабораторних розробок вже потрібно було створювати дослідний, а потім і реальний зразок наносупутника, постало питання, як це зробити. Команда вирішила представити перший проєкт — PolyITAN-1 — на фестивалі інноваційних проєктів Sikorsky Challenge. У результаті до проєкту долучилися два інвестори — Фонд імені академіка Михалевича і компанія «Боїнг».
Інвестиція завершилась успішним створенням наносупутника, випробуванням та виведенням у космос у 2014 році. Його призначенням було дослідження режимів роботи різноманітних бортових систем. До речі, він і сьогодні працює в космосі. Другий супутник із серії — PolyITAN-2 — у 2017 році було виведено на орбіту для виконання дослідницької місії міжнародної команди з вимірювання концентрації атомарного кисню в термосфері Землі.
«Це дуже важливо, адже густі концентрації атомарного кисню заважають наступним місіям, — пояснює Михайло Згуровський. — Вони руйнують поверхні апаратів, тож потрібно створювати певні карти — щоб наступні місії були успішнішими, а апарати «жили» довше. Проєкт PolyITAN-2 пройшов той самий шлях, що і його попередник — за підсумками фестивалю Sikorsky Challenge його інвесторами стали Фонд імені Костянтина Калініна і знову-таки компанія «Боїнг». Проєктом PolyITAN-HP-30 вже зацікавилась держава. Супутник створено за бюджетні кошти, що надавались Міністерством освіти і науки України в межах реалізації відповідних проєктів-переможців конкурсів наукових досліджень і розробок та договору базового фінансування.
Доправлення наносупутника PolyITAN-HP-30 у Сполучені Штати Америки для виведення його на орбіту Землі стало можливим завдяки спонсорській допомозі компанії «Боїнг Україна», підтримці Технічного університету Делфт (Нідерланди), спінофф-компанія якого взяла на себе фінансування та технічне забезпечення виведення космічного апарату в космос. Державне космічне агентство України сприяло розв’язанню питань логістики та експорту.
Як розповіли розробники, корисним навантаженням PolyITAN-HP-30 є специфічні теплові труби для систем терморегулювання радіоканалів, скидання тепла з плат управління тощо. Власне і маркування супутника — НP (з англ. heat pipe) — означає «теплова труба». У космосі проводитиметься науковий експеримент для дослідження ефективності цих труб в умовах мікрогравітації.Одночасно з супутником КПІ, який є повністю українським, на орбіту було виведено супутник компанії EOS Data Analytics, що входить до групи Noosphere українця Максима Полякова.
«До 2025 року до космічного апарата мають приєднатися ще шість малих супутників майбутнього сузір’я EOS SAT, — розповів на своїй фейсбук-сторінці Максим Поляков. — Разом вони займатимуться веденням точного землеробства — нового методу спектрального супутникового сканування Землі для оцінки стану флори».
Деталі місії
Старт ракети-носія Falcon-9 компанії Ілона МаскаSpace X відбувся 3 січня о 16.56 за київським часом з мису Канаверал у США. Falcon-9 — це перша двоступенева багаторазова ракета орбітального типу. Багаторазове застосування дозволяє Space X використовувати найдорожчі елементи ракети декілька разів, що врешті-решт знижує вартість доступу до космосу.
Загалом на початок січня здійснено 194 запуски, 152 приземлення першого ступеня і 130 повторних запусків. Ракета має висоту 70 метрів, діаметр 3,7 метра і стартову масу 549 тонн. Маса корисного навантаження, що виводиться на низьку навколоземну орбіту, сягає 22,8 тонни. Обтічник, у якому воно розміщене, має висоту 13 метрів і діаметр 5,2 метра.
Процес запуску ракети розписано посекундно — все виконується з феноменальною точністю. Як розповів учасникам трансляції аспірант ННІ аерокосмічних технологій КПІ та Університету штату Кент (США) і член команди, що розробляла наносупутник, Олексій Падун, фінальний відлік починається за 10 хвилин до запуску. У цей момент ракета вже працює автономно. А за 2 хвилини 30 секунд до старту команда управління місією в Каліфорнії та команда пускового процесу на мисі Канаверал дає «добро», що всі системи працюють штатно, і після цього по закінченню відліку бачимо запуск дев’яти двигунів першого ступеня ракети. Відділення супутників на орбіті здійснюється за допомогою пускового контейнера. Після сигналу системи керування ракетою спеціальний пристрій подає сигнали на виштовхування супутників у заданий час.
Місія, в рамках якої було здійснено запускPolyITAN-HP-30, має назву Transporter-6, є мультидисциплінарною і спрямованою на дослідження багатьох проблем у космосі. Це шоста спеціальна місія Space X для спільного виведення малих супутників. Transporter-6 став першим орбітальним запуском у всьому світі у 2023 році. В запуску — 114 елементів корисного навантаження, зокрема і наш наносупутник. Окрім кубсатів, це й мікросати, пікосати, а також — орбітальні транспортні засоби, що перевозять космічні кораблі, які будуть розгорнуті пізніше.
У чому ефективність?
Серед іншого, супутники класу кубсат призначені для відносно дешевого випробування нових приладів і систем. Про це розповів провідний інженер кафедри напівпровідникових перетворень факультету електроніки КПІ Михайло Душейко. «Ніхто не дозволить собі ризикувати великими космічними апаратами, якщо в них не буде встановлено прилади, які випробувано в натурних умовах, — додав він. — За результатами наших експериментів труби можна буде пропонувати потенційним замовникам — виробникам космічних апаратів. Таких труб у світі багато, але наші за багатьма показниками кращі, ніж закордонні аналоги».
Більше про теплові труби й експеримент розповіли аспіранти ННІ атомної і теплової енергетики КПІ Роман Мельник та Леонід Ліпніцький.
Основним призначенням теплових труб є утилізація зайвого тепла і термостабілізація електронних компонентів наносупутника та електроніки як такої.
— Власне труба — це високоефективний пристрій, який передає тепло, — зауважив Роман Мельник. — Щоб зрозуміти ефективність, можна навести порівняння. Теплопровідність міді становить близько 400 одиниць. А теплопровідність теплових труб може сягати 20 тисяч одиниць. Вони більш ефективні у передачі тепла навіть у порівнянні з графеном. Саме тому їх часто використовують для різних задач, де треба передавати теплові потоки.
Як нагадав Леонід Ліпніцький, труби, які створено в КПІ, вже було використано в космосі. Зокрема — для охолодження електроніки в німецькому мікросупутнику Bird, що дало змогу продовжити його роботу, а також — для системи тепловідводу космічного апарата MASCOT. Окрім того, труби застосовуються для вирішення широкого спектра завдань не лише в космосі, а й на Землі — для охолодження електроніки, у різних теплообмінних апаратах.
— На базі КПІ створено низку конструктивних рішень, ціле сімейство профілів для алюмінієвих теплових труб, що дозволяє розширити спектр їх використання та підвищити ефективність, — додав Роман Мельник. — Також проводяться роботи над іншим типом теплових труб, зокрема мідних. Маємо спільнЯк нагадав Леонід Ліпніцький, труби, які створено в КПІ, вже було використано в космосі. Зокрема — для охолодження електроніки в німецькому мікросупутнику Bird, що дало змогу продовжити його роботу, а також — для системи тепловідводу космічного апарата MASCOT. Окрім того, труби застосовуються для вирішення широкого спектра завдань не лише в космосі, а й на Землі — для охолодження електроніки, у різних теплообмінних апаратах.і проєкти з космічними компаніями для забезпечення термостабілізації супутникових компонентів. Також очікуємо на нові замовлення.
Щодо проєкту PolyITAN-HP-30, то, як зауважили аспіранти, запуск супутника дасть науковцям КПІ змогу не лише отримати робочі характеристики теплових труб в умовах мікрогравітації, ай виявити можливі хиби й переваги в процесі подальшого створення деталей агрегатів для різних космічних апаратів.
За «кубиками» майбутнє
А тим часом трансляція тривала. Багаторазовий ступінь ракети успішно повернувся на космодром. Минуло близько години після запуску, і глядачі почули від оператора компанії Space X:«PolyITAN from Kyiv. Separation confirmed». Супутник покинув пусковий контейнер і успішно вийшов на орбіту. А отже — перший етап місії успішно завершено. Михайло Згуровський висловив сподівання, що й наступна фаза — власне експеримент — буде успішною. Далі розмова — про космічні дослідження КПІ. Ректор наголошує: з дев’яти цільових програм Київської політехніки цей напрям є одним з найважливіших.
— Ще наприкінці 2000-х ми стратегічно планували, яким шляхом піти, адже космічні дослідження охоплюють дуже широкий спектр, — розповідає Михайло Згуровський. — Це дуже широкий спектр досліджень. Я вдячний команді Бориса Рассамакіна, який був одним з ініціаторів започаткування досліджень супутників у класі СubeSat. Один модуль такого супутника — це кубічний дециметр. У процесі мікромініатюризації елементної бази стало зрозуміло, що дослідницькі супутники можуть ставати маленькими, але водночас виконувати ті самі завдання, що й раніше — великі. Це розв’язує як мінімум дві проблеми. По-перше — здешевлення виведення в космос апаратів меншої маси. По-друге — проблему космічного сміття, адже великі космічні апарати, які закінчили свою місію, продовжують перебувати на орбіті й заважають наступним. Тому, коли ще не було остаточно зрозуміло, наскільки перспективним буде напрям СubeSat, КПІ все-таки обрав його. Тепер цей клас дослідницьких супутників лавиноподібно розвивається, тож ми не помилились.
Щодо планів на найближчу перспективу, то у 2023-му, до 125-річчя КПІ,планується виведення в космос ще двох наносупутників: PolyITAN-3PU (спільно з Познанською політехнікою) і PolyITAN-12U. Обидва матимуть функціонал дистанційного зондування Землі з роздільною здатністю 15–20 і 2–4 метри відповідно.
Також в роботі супутник «Біосат». Цей проєкт реалізується спільно з Інститутом ботаніки НАН — вивчатиметься розвиток рослин у космосі. Ще один наносупутник, над яким працюють у КПІ, — «Гравісат» — досліджуватиме електромагнітні поля Землі з метою прогнозування природних катастроф.
— Крім кубсатів, ми працюємо над класом мікросупутників для дистанційного зондування Землі з роздільною здатністю 0,5 метра, — продовжує Михайло Згуровський. — Це вже супутники стратегічного призначення. Поки що Україна купує знімки в інших країн. А це дорого і ненадійно. Тож нам потрібно мати власний сегмент дистанційного зондування Землі.
Університетська наука
Про перспективи університетської науки у сфері космічних проєктів розповів начальник головного управління реалізації політик у сфері науки та інновацій МОН Олег Хименко. За його словами, досвід КПІ показує всім, що університет може володіти ноу-хау на всіх ланках життя супутника: проєктування, виготовлення, підготовки до запуску й оброблення даних.
Також Олег Хименко нагадав, що системи термостабілізації космічних апаратів розроблялись не в КПІ. Зокрема, системи теплообміну, які вже працюють у космосі на двох геостаціонарних супутниках SES-17, виведених у 2020 і 2021 роках, були повністю спроєктовані в Національному аерокосмічному університеті імені М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут». Сьогодні співпраця вишу і підприємства сконцентрована на розробленні українських іонно-плазмових двигунів. Різноманітні системи для супутників проєктували й науковці Національного університету «Львівська політехніка» і Дніпровського національного університету імені Олеся Гончара, а також інших провідних університетів країни.
Також Олег Хименко розповів про результати грудневої наради у міністерстві з участю очільників МОН, НАН і Державного космічного агентства. Зокрема, було створено робочу групу, завданням якої є вироблення найкращих варіантів реалізації наукового завдання в рамках програми Artemis. Цьогоріч треба вирішити, яке корисне навантаження Україна виведе за допомогою цієї місії на навколомісячну або навколоземну орбіту, або, можливо, й на сам Місяць.
Схема зв’язку
До створення наносупутника було залучено багато представників різних факультетів та інститутів КПІ. Аспірант радіотехнічного факультету Борис Ванділовський поділився деталями про схему зв’язку, якою оснащено пристрій.
— Наш супутник є рухомим об’єктом на низькій орбіті, тож необхідно, щоб антенна система мала постійне спостереження за ним. Цей процес є автоматизованим і забезпечується такими програмами як «Орбітрон», —розповів він. — Щодо антен, то для наземних станцій, для команд у нас використовуються антени типу «хвильовий канал», а на супутниках лінійки «кубсат» встановлюється декілька монопольних антен, які розгортаються за принципом рулетки.
Також Борис Ванділовський додав, що Київська політехніка має замкнений цикл виготовлення систем зв’язку для наносупутників, починаючи від розрахунків енергетичного бюджету радіоліній для зв’язку з космічними об’єктами й закінчуючи виготовленням антенних систем, приймально-передавальних пристроїв як для наземних станцій, так і для супутників.
Орієнтація — на поле Землі
Як супутнику не збитисяз курсу і як зорієнтуватись у космічному просторі? Про це розповів аспірант ННІ аерокосмічних технологій КПІ Владислав Осокін.
За його словами, наявність системи стабілізації супутника зумовлена завданнями, які перед ним стоять. Це може бути орієнтація сонячних панелей на Сонце, виконання навігаційних вимірювань, наприклад, завдань дистанційного зондування Землі, дослідження навколоземного простору.
Як фізично забезпечити орієнтування в космосі й від чого «відштовхуватись»? Як зауважив Владислав Осокін, таким середовищем у космосі може бути магнітне поле Землі. На супутник встановлюють котушку. Коли на неї подають струм, магнітне поле Землі намагається її повернути. Інший варіант — встановлення спеціальних електронних двигунів.Щодо PolyITAN-HP-30, то на ньому для визначення орієнтації встановлено магнітометри й сонячні датчики, для управління орієнтацією — електрокотушки та двигуни-маховики,а для кращої ефективності всієї системи — мікрогірокомпаси.
Живлення — за класикою
Щодо живлення супутника на орбіті, то тут все за класикою — він використовує енергію Сонця, яка перетворюється на електричну, а потім накопичується в акумуляторах і використовується у темний період. Але, як розповів Михайло Душейко, сонячні елементи, які встановлюються на космічних апаратах, дещо відрізняються від «земних».
—У космосі будь-який елемент електроніки піддається впливу космічного випромінювання, що не додає йому життя,— зауважив він. — Тому в космосі використовуються специфічні сонячні елементи. Якщо кремнієві, то дуже тоненькі й захищені. Оскільки енергетика PolyITAN-HP-30 досить висока (пікові навантаження сягатимуть 10–12 Вт), то в нас використано трьохперехідні сонячні елементи. Вони не використовуються на землі, адже дорогі й досить складні у виготовленні.
Щодо особливостей акумуляторів, то вони випливають із певних вимог до безпеки запуску космічних апаратів. За словами Михайла Душейка, з погляду масогабаритних характеристик було б логічно використовувати літій-іонні, адже вони мають високі питомі характеристики, але вони досить вибухонебезпечні й не використовуються в космічній техніці. Крім того, в них досить вузький температурний діапазон функціонування — вони не «люблять» ані холоду, ані перегріву.
— Ми ще з першого апарату використовуємо літій-залізо-фосфорні елементи, — розповів інженер. — Вони мають дещо нижчі питомі характеристики, але дуже широкий температурний діапазон, велику кількість циклів заряду, і за стандартних умов можуть гарантовано функціонувати до 10 років. Окрім того, за масогабаритними питомими характеристиками ненабагато поступаються літій-іонним.
Чи є життя на кубсаті?
У супутниках є місце не лише для складного електротехнічного обладнання. Як вже йшлося вище, у КПІ створюється наносупутник PolyITAN-4-BIO («Біосат»), корисним навантаженням якого будуть рослини.
Як зауважив інженер лабораторії теплових труб і наносупутникових технологій КПІ Костянтин Половинкін, його особливістю є спеціальна герметична біокапсула, в якій буде розміщено кореневий субстрат рослини з необхідним обладнанням для отримання телеметрії. У цій капсулі буде забезпечено відповідний тепловий режим, рівень вологості, імітацію дня і ночі.
— Для забезпечення теплового режиму відбувається комп’ютерне моделювання стану як окремих агрегатів, так і космічного апарата в цілому, після чого отримані результати верифікуються експериментальним шляхом на відповідних дослідних установках та в термовакуумній камері,— розповів Костянтин Половинкін. — Наносупутники серії PolyITAN комплектуються спеціальними елементами — так званими сотопанелями, які забезпечують теплову ізоляцію внутрішніх компонентів від зовнішнього космічного простору. До того ж можуть застосовуватись різного типу підігрівачі, зокрема плівкові, що забезпечить значне зменшення градієнта температур на поверхні відповідних елементів.
Отже, навіть під час війни Київська політехніка продовжує торувати український шлях у космос. Багато зроблено, а заплановано ще більше, тож хочеться приєднатися до побажань учасників зустрічі, щоб такі запуски стали не непересічними подіями, а буденністю.
Дмитро ШУЛІКІН
Фото автора і з трансляції КПІмедіа