В последние два десятилетия наблюдается существенный рост интереса к малым спутникам. Благодаря существующему уровню развития электроники и вычислительной техники были разработаны и выведены на орбиту десятки миниатюрных спутников. Напомним, что первый искусственный спутник Земли «Спутник-1» имел массу 83.6 кг, при этом масса источника питания составляла 51 кг. Разумеется, в таких условиях говорить об использовании малых спутников в научных целях не приходилось. Тем не менее, по наблюдениям за элементами орбиты «Спутника-1» были полученные данные о плотности верхних слоев атмосферы. Первый американский спутник «Эксплорер-1» имел массу 13.9 кг, из них 8.3 кг составляла полезная нагрузка (счетчик Гейгера, несколько термометров, два устройства идентификации микрометеоритов), позволившая открыть пояса ван Аллена. На спутнике уже активно использовались транзисторы, что позволило существенно сократить его массу по сравнению с двумя первыми советскими аппаратами. Таким образом, историю развития малых аппаратов можно начинать с этого спутника (хотя «Спутник-1» также относится к классу микроспутников). Четвертый искусственный спутник Земли, второй американский спутник «Авангард-1» имел массу 1.47 кг и уже относился к классу наноспутников. Питание обеспечивалось совместным использованием аккумуляторных батарей и солнечных панелей. «Авангард-1», однако, не содержал полезной нагрузки. На спутнике были установлены только аккумуляторная батарея и два передатчика. Тем не менее, первый наноспутник позволил получить новые данные о влиянии сопротивления атмосферы и, особенно, солнечного давления на эволюцию орбиты. Выше уже были отмечены два технических решения, позволивших создать первые малые спутники – использование транзисторов и солнечных панелей. «Спутник-3» (1327 кг) также имел солнечные панели, которые, однако, лишь тестировались. Вообще, все спутники программы «Авангард» имели массу чуть более 10 кг. Однако подавляющее большинство не было выведено на орбиту по причине сбоев ракеты-носителя. Последний спутник программы, «Авангард-3», имел массу 24 кг и был выведен на орбиту 18 сентября 1959 г. К числу первых наноспутников относится также «Пионер-3». В последующие годы развитие ракетоносителей, позволившее выводить на орбиту все большие массы полезной нагрузки, привело к уменьшению интереса к малым аппаратам. Фокус сместился на спутники массой несколько сотен килограмм и часто – более тысячи. Эту тенденцию иллюстрирует увеличение массы аппаратов серии «Эксплорер». Тогда как первые аппараты были близки к наноспутникам, к 70-м годам практически все, за исключением нескольких, спутники серии вышли за рамки микроспутников. Советская программа по созданию телекоммуникационной сети «Стрела», насчитывающая 384 микроспутника, составляет основное исключение. С конца 80-х годов, однако, число запусков микроспутников в год снова начало неуклонно расти. Пик интереса к наноспутникам пришелся на конец 70-х – начало 90-х годов. Однако за последнее десятилетие снова наблюдается рост числа запусков. Это обусловлено возможностями техники, в особенности – микротехнологий. Например, достаточно точный (точность 0.02% на высоте 700км) магнитометр имеет размеры 2.7x2.0x1.2 см. С обзором малых аппаратов, запущенных в последние два десятилетия, можно ознакомиться в статье М.Ю. Овчинникова (заведующий сектором ИПМ им. М.В. Келдыша РАН).

Интерес к малым спутникам и бурное развитие этого направления объясняется короткими сроками разработки и изготовления, относительно низкой стоимостью самого аппарата и его вывода на орбиту. Немаловажным фактором, обусловленным развитием техники, является способность малых спутников выполнять некоторые задачи, которые ранее были подвластны только большим и дорогостоящим аппаратам. Кроме того, на базе нескольких миниатюрных спутников возможно создание формаций и группировок спутников, предоставляющих возможность проведения одновременных экспериментов в различных, но близких точках пространства.

Система ориентации имеет решающее значение для успеха всей миссии. Большинство первых спутников либо не имело систему ориентации, либо имело пассивную систему. Вообще, под пассивными системами понимаются такие системы, которые в процессе своего функционирования не расходуют энергетических ресурсов аппарата и не требуют информационного обеспечения. К активным относятся системы, включающие в свой состав датчики, вычислитель и исполнительные органы, потребляющие энергию. Развитие активных систем ориентации началось в основном благодаря запускам телекоммуникационных спутников, имеющих ограничение на направление антенны. Основным способом ориентации при этом являлась стабилизация собственным вращением. В этом случае спутник, быстро вращаясь, ведет себя как гироскоп – очень долго сохраняет неизменным положение оси вращения. Все основные способы ориентации, однако, были принципиально реализованы в самом начале космической эры.

К системам ориентации малых спутников и их компоновке предъявляются особые требования в связи с ограниченными размерами спутника и весьма жесткими ограничениям по энергетике и вычислительным ресурсам. Если к точности ориентации спутников не предъявляется высоких требований, то можно и целесообразно использовать магнитные системы ориентации. Их принцип действия основывается на взаимодействии собственного магнитного момента спутника с внешним геомагнитным полем, в результате которого возникает управляющий механический момент. Магнитный момент может быть реализован пассивно с помощью постоянных магнитов и гистерезисных стержней или активно с помощью токовых катушек с намагничиваемым сердечником или без него. Такие системы конструктивно надежные и относительно простые. Возможность создавать на спутнике магнитное поле и управлять этим полем привела к разработке разнообразных систем и алгоритмов, использующих магнитные моменты для управления его угловым движением.

Другим распространенным методом обеспечения ориентации является использование маховиков. Преимуществами маховиков являются их высокая точность и быстродействие. Основным недостатком, в случае рассмотрения малых аппаратов, является цена. Кроме того, при использовании маховиков возникает проблема насыщения. Маховик может достичь максимальной скорости вращения, но при этом спутник еще не выйдет на номинальный режим ориентации. В этом случае необходимо затормозить маховик, создавая при этом момент, компенсирующий возникающий при его торможении. Обычно для разгрузки применяются магнитные катушки. Двигательная установка также часто используется для обеспечения ориентации спутника. Этот способ имеет один главный недостаток – использование рабочего тела. Двигательную установку поэтому нецелесообразно использовать для гашения начальной скорости после отделения от ракеты-носителя, если она велика. В этом случае могут быть использованы пассивные демпфирующие устройства. Использование магнитных катушек, однако, более эффективно. Три представленные способа ориентации спутников – маховики, двигательная установка, магнитные катушки – являются наиболее распространенными в настоящее время. В большинстве случаев они с необходимостью используются вместе. Ориентация при помощи сил светового давления все еще во многом находится в стадии разработки. В некоторых специальных случаях используется ориентация по набегающему потоку в верхних слоях атмосферы для низких аппаратов. В случае динамически вытянутых спутников применяется гравитационная ориентация, но совместно с другими исполнительными элементами. К магнитным системам также относятся пассивные. Наличие сильного постоянного магнита в теле спутника обеспечивает его ориентацию вдоль силовых линий геомагнитного поля. Демпфирование скорости может осуществляться при помощи стержней из магнитомягкого материала за счет эффекта гистерезиса. Отдельно можно выделить поддержание ориентации при помощи быстрого вращения спутника.

 

Космос-журнал благодарит автора статьи С.С. Ткачева и ИПМ им. М.В. Келдыша РАН за предоставленный материал.