Проект спутника для фотосъемки Луны

Проекту лунного микроспутника исполнился год, так что самое время рассказать как у нас дела и отчитаться о проделанной работе. Сразу признаю: в график мы не укладываемся, но сделано уже немало: подготовили техзадание, определились со схемой выведения и орбитой, провели три итерации компоновки спутниковой платформы, но обо всем по порядку.

1 октября 2015 года на краудфандинговой площадке "Бумстартер" стартовал сбор средств на Проект лунного микроспутника. Цель сбора: поиск средств на подготовку аванпроекта малого космического аппарата способного выйти на низкую окололунную орбиту для фотосъемки в высоком разрешении мест посадок "Аполлонов" и "Луноходов". Сбор средств завершился 5 ноября, вдвое превысив планируемую сумму: 1,75 млн руб., вместо запрашиваемых 800 тыс руб.

Построить даже околоземный спутник на эти деньги невозможно, этот сбор лег в основу первого этапа разработки космического аппарата - Описания проекта. В космической отрасли описание предполагаемого и предлагаемого к разработке космического аппарата носит название “аванпроект”. Именно им мы сейчас и заняты. Аванпроект содержит результаты предварительных расчетов орбитальных характеристик, возможностей двигательной установки и бортового радикомплекса, конструкции и оптических возможностей камеры, свойств системы ориентации, системы электроснабжения и других служебных подсистем аппарата, которые позволят реализовать поставленные задачи.

В дальнейшем потребуются новые этапы, каждый в разы сложнее предыдущего: эскизный проект, подготовка конструкторской документации, подготовка инженерного макета, проработка алгоритмов работы, написание программного обеспечения… И много-много чего еще, без чего невозможен запуск такого, достаточно сложного межпланетного космического аппарата.

За реализацию поставленной цели взялась инициативная группа инженеров, имеющих опыт работы в ракетно-космической отрасли или в близких отраслях. За время сбора средств в команду вошло еще несколько специалистов. Несколько ученых выразило свой интерес к проекту, как имеющему научные перспективы в изучении Луны. На проект откликнулись десятки энтузиастов космонавтики со всего мира.

Но выразить поддержку или даже поучаствовать в обсуждении - это одно, а посвятить время на разработку, и тратить хотя бы несколько часов в неделю, на расчеты, составление таблиц, схем, подготовку описания - это другое. Собранные на "Бумстартере" деньги отложены на некоторые комплектующие и проведение профессиональной экспертизы проекта. Поэтому вся работа, которая уже проделана и еще требуется для подготовки проекта, осуществляется бесплатно, на волонтерских основаниях. А у такой работы в любом графике очень много конкурентов, и вести ее способен только настоящий энтузиаст. Зачастую жизненные обстоятельства сильнее любого энтузиазма, за первый год работы у кого-то из участников проекта появилась новая перспективная работа, отвлекающая практически всё время; у кого-то полетел уже готовый космический аппарат и теперь всё время занято работой с ним; у кого-то родился сын… Всё это, безусловно, позитивные изменения в жизни, которым стоит только радоваться, но каждое из них задерживает реализацию нашего проекта и откладывает будущий старт, на который мы надеемся.

Возникли и неизбежные сложности психологической совместимости участников проекта. Так, пришлось отказаться от помощи радиотехника, который взял на себя обязательства подготовки бортового радиокомплекса. Несмотря на достаточно высокий профессионализм, он не смог найти общий язык с остальной командой. После его ухода работу по радиоканалу пришлось начинать практически с нуля. Сейчас мы общаемся с зеленоградской компанией “САИТ”, которая готова взяться за разработку бортового радиокомплекса для лунного микроспутника. Для них это уже не хобби, а работа, которую нам придется оплачивать, либо предлагать какие-то иные взаимовыгодные условия сотрудничества, но их высокий профессионализм и опыт стоит того.

Теперь подробнее о том, что сделано. Сейчас у нас аванпроект примерно на 70% готовности.

Готово Техзадание на аванпроект.
Сейчас можно ознакомиться с тем, что мы должны подготовить в ближайшее время. Надеюсь, получится закончить работу до Нового года.

Мы выбрали две возможные схемы выведения космического аппарата, под которые прорабатывается две компоновки. Первая схема выведения - попутный запуск на геостационарную орбиту. Это орбита метеорологических и телекоммуникационных спутников на высоте примерно 36 тыс км в плоскости экватора Земли. Например, там работает спутник “Электро-Л2”.Коммерческих пусков на геостационарную орбиту осуществляется около полутора десятков в год, с Байконура, Куру, Канаверала. В этом году добавился еще Вэйчан. Выведение пары и более спутников уже отработано несколькими космическими агентствами и компаниями, хотя цена за каждый запущенный аппарат может достигать десятков миллионов долларов. Столько у нас нет и не предвидится, поэтому мы можем надеяться только на попутный запуск в рамках каких-либо партнерских программ или господдержки.

Второй вариант выведения - пуск на лунопереходную орбиту. По сути - пустили в сторону Луны, а дальше справляйся, как знаешь. Такой пуск возможен только на ракете, которая выводит что-то к Луне. Наш спутник мог бы занять место на разгонном блоке отдельно от основной полезной нагрузки. Лунные пуски намного реже геостационарных. Если учитывать планы разных стран, то лунных ракет окажется около десятка в течение следующих десяти лет. Ближайший - пуск ракеты NASA SLS в 2018 году, где кроме корабля Orion полетит около десятка студенческих и частных кубсатов США. Ожидаются еще три или четыре пуска Роскосмоса, как минимум один Индии, несколько - Китая, есть в проектах у Южной Кореи и Японии. Предполагается пара запусков аппаратов по конкурсу Google Lunar XPRIZE. В общем, некоторый шанс встать на пуск до Луны у небольшого спутника есть, поэтому такая возможность тоже закладывается в разработку.

Две схемы выведения требуют существенно отличающегося запаса топлива. Чтобы решить этот вопрос рассматривалось несколько вариантов: разработка отдельного разгонного блока, создание двух типов космических аппаратов, но это неприемлемо из-за ограниченности бюджета и кадровых ресурсов. Компромиссный вариант стал таковым: единая спутниковая платформа и двигательная установка, различающаяся только объемом топливных баков. Такая компоновка является излишне громоздкой для “легкого” варианта, но это плата за универсальность.

Информация о такой компоновке была опубликована в мае 2016 года. Аппарат, летящий от геостационарной орбиты, получался массой 160 кг. Это в полтора раза больше того, что называется микроспутником, но формула Циолковского не смотрит на терминологию.

После включения в работу команды “САИТ” нам приходится пересматривать компоновку в сторону уменьшения. Их бортовой радиокомплекс оказывается легче того, что мы рассматривали вначале, меньше потребляет энергии, меньше греется, а значит мы можем уменьшать площадь солнечных батарей, радиаторов, облегчать систему ориентации. Работа в этом направлении еще ведется, что является некоторым оправданием, что аванпроект еще не готов. Вряд ли получится облегчить перелетный вариант ниже 100 кг, но похудение ожидается существенное.

Конструкция двигательной установки пока не определена. Знаем только, что маршевая двигательная установка будет двухкомпонентная НДМГ/АТ. Это токсичное топливо, и у нас нет допуска для работы с ним, но мы и не планируем это делать. В стране есть предприятия и с допуском и с опытом разработки подобных двигательных систем. Например, на сайте завода ФГУП «НИИМаш» в Нижней Салде нашлась система очень похожая на то, что нам требуется - двигательная установка возвратного модуля “Фобос-Грунта” - правда, она мощнее и тяжелее в два раза.

Рабочая орбита предполагается околокруговая, с наклонением 84-85 градусов, т.е. близкая к полярной. Это означает, что полюса мы сможем снимать только под углом до 15,5 градусов, что не совсем удобно для последующей работы со снимками, но приемлемо. Полярная орбита была бы удобнее, но выбранное наклонение позволяет устойчивее держать высоту, избегая существенного влияния масконов Луны. Точнее они будут, но будут взаимно компенсировать влияние друг друга. Это позволит долго держаться на выбранной орбите, не расходуя много топлива на коррекции.

Средняя высота орбиты предполагается 50 км. Это примерно столько же, как у американского LRO, но за счет более мощного телескопа разрешение снимков должно быть выше. Кроме того, реальная высота спутника будет постоянно меняться в определённых пределах, иногда достигая 20-25 км. Мы работаем над тем, чтобы в такие периоды оказываться над нужными нам целями. Плюс, в одном из вариантов оптической схемы предусмотрена работа в сине-зеленой части спектра. Это позволяет заметно поднять разрешение (примерно на 17%) без роста габаритов телескопа ценой некоторого снижения чувствительности : меньшая длина волны отодвигает дифракционный предел, и позволяет с тем же диаметром телескопа увидеть меньшие детали на поверхности (конечно при условии что оптическое качество телескопа - дифракционно-ограниченное).

Телескоп остался с мая без изменений - подготовленные варианты требованиям удовлетворяют, нужно лишь выбрать один из вариантов к моменту формирования окончательного облика спутника.

Расчеты показывают возможность получить разрешение 25 см на поверхности с орбиты 100 км (и существенно выше с более низких орбит), что в два раза лучше среднего качества LRO. Хотя в режиме максимального снижения LRO достигал разрешения в 30-35 см.

Наша орбита тоже позволит проводить снижения, что даст возможность повышать качество изображения, и различить детали до 10 или менее сантиметров на поверхности. То есть, при оптимальном развитии программы, будет возможность увидеть отдельные следы, и более мелкие контрастные объекты.

Рассылка вознаграждений спонсорам проекта на Boomstarter продолжается. С некоторыми из спонсоров я провел личные встречи во время моих поездок с лекциями по стране, но большинство вознаграждений еще не разослано, и это тоже требует времени. До Нового года также постараемся отправить большую часть значков и книг.