Привет, хабрчане! А вы когда-нибудь хотели запустить на орбиту собственный спутник? Сегодня эта идея уже не похожа на фантастику — у каждого есть шанс это сделать. 

Меня зовут Марат Айрапетян, я космический инженер, а в свободное время пишу для блога MWS. В прошлый раз рассказывал, как Циолковский предсказал космическое будущее человечества, а сегодня решил пройтись по процессу запуска спутников. В декабре 2023 года мы с коллегами запустили первый армянский спутник местной разработки — этим опытом и поделюсь. И да, обратите внимание на габариты: аппарат размером примерно с ладонь. Миниатюризация — тоже один из трендов в космонавтике, и это как раз тот случай, когда размер не главное.

Зачем вообще нужен свой спутник

Раньше было заведено так: уважаешь свой космический стартап — надо бы и собственный спутник запустить. Сейчас все стало прагматичнее. Многие компании отлично зарабатывают на космических сервисах и без спутников: берут готовые снимки, обрабатывают их и продают. 

Поэтому первый вопрос, который вы можете себе задать: а точно ли мне нужен спутник? Например, если ваша задача ДЗЗ (дистанционное зондирование Земли) и обработка изображений, можно начать с уже летающих аппаратов: покупайте у них снимки, а свои спутники, если понадобится, сможете запустить позже.

Когда-то команда Planet Labs — а это одна из самых крупных компаний по обработке фоток из космоса — использовала снимки со спутников NASA и ESA для экспериментов с обработкой изображений и анализа изменений поверхности Земли. Потом поняли, что важно протестировать камеры и алгоритмы на маленьких и дешевых спутниках, — тогда они стали запускать кубсаты. Следующим шагом было масштабирование. Сегодня у ребят на орбите более 200 аппаратов, снимающих всю Землю ежедневно.

Считаю, задуматься о собственном спутнике стоит, если:

• вам нужно получать данные с нужным разрешением или частотой съемки, которых нет в открытом доступе;

• требуется съемка в нестандартных диапазонах — например, ближний ИК для сельского хозяйства или нужен тепловизор для мониторинга теплопотерь;

• не хотите зависеть от других компаний.

Это в общих чертах. А теперь давайте несколько конкретных примеров из жизни, когда есть смысл запустить собственный спутник:

• Вы прошли стадию пилота на чужих данных. Например, работали с сервисами Planet или ICEYE, но для масштабирования продукта нужно больше контроля над частотой и качеством наблюдений.

• Нужны данные, которых никто не собирает. Существующие спутники не дают нужное разрешение, диапазон наблюдений или частоту обновления данных.

• Требуется высокая автономность и безопасность. Ваши клиенты или регуляторы требуют, чтобы данные не проходили через сторонние системы и оставались под полным контролем компании.

• Вы строите платформу для других. Собственный аппарат может быть коммерческой базой для размещения чужих полезных нагрузок — как это делают D-Orbit или Momentus.

• Вы работаете на будущее: формируете компетенции и команду. Иногда спутник нужен не ради немедленной прибыли, а чтобы освоить технологии, подготовить специалистов и показать потенциал компании инвесторам и партнерам.

• Вы хотите исполнить мечту — запустить свой аппарат (и у вас много денег).

А еще если вы разработали полезную нагрузку — например, компактную камеру высокого разрешения, новый тип спектрометра или датчик радиации, необязательно сразу строить весь спутник. Можно разместить свой прибор на чужом аппарате в формате Hosted Payload. Так поступали многие университеты и стартапы: тестировали свои технологии на борту чужих кубсатов, прежде чем делать полноценную миссию. Например, стартап Connected из Португалии собрал финансирование именно на размещение нагрузки на чужом спутнике (без собственного аппарата) для проверки концепции. Ребята разрабатывают спутниковую сеть для передачи данных в стандарте NB-IoT — той же технологии, что используется для умных счетчиков и сенсоров на Земле. И первый шаг — протестировать ее на чьем-то спутнике.

Главное — четко определить: что вы делаете сами, а что за что готовы платить, — от этого будет зависеть бюджет. Делать компоненты с нуля — дорого и долго. Покупать готовое быстрее, но интеграция потребует усилий. Это как с квартирой: можно сначала пожить на «аренде». А когда станет понятно, что именно вам нужно для счастливой жизни, в каком размере и в каком районе, уже обзавестись своим жильем. 

Как было у меня

Я попал в проект по запуску спутника случайно: приехал отдохнуть на историческую родину в Армению, проводил лекции о космосе (популяризация — мое все) и услышал, что в Армении прямо сейчас стартует проект по запуску спутника. Для меня ��то была возможность поучаствовать в этапах создания аппарата с нуля и внести свой вклад.

Идея была простой: Армения уже покупала готовый спутник Armsat-1 у компании Satlantis. И тут появился частный энтузиаст, который проинвестировал разработку аппарата для дальнейших коммерческих и исследовательских целей. Пока задача была такой — самостоятельно разработать и собрать аппарат и протестировать его и приборы в космосе. А потом на этой платформе строить уже что-то более серьезное.

Как вообще запустить спутник

Итак, с чего начать? Первый этап — определить цели и задачи, а после превратить их в конкретные требования к системе. Например, цель: «Хочу наблюдать Москву каждый час в оптическом спектре с разрешением в 1 метр». В соответствии с этой задачей можно выбрать требования к камере, бортовому компьютеру и системе электропитания. 

Как я уже писал выше, в нашем случае было нужно: 

• научиться самим собирать и программировать аппараты;

• протестировать приборы, которые ребята создавали;

• показать миру, что мы умеем;

• отработать платформу, чтобы строить на ней более крупные аппараты.

Потом выбираем полезную нагрузку — от этого зависят высота аппарата и мощность базовых систем.

Что нужно сделать дальше:

1. Выбрать орбиту для полезной нагрузки.

2. Рассчитать базовые системы спутника и подобрать под них компоненты, чтобы полезная нагрузка работала исправно.

3. Заказать железо и дождаться поставки.

4. Забронировать время и согласовать юридическую часть.

5. Получить компоненты и разработать софт. 

6. Протестировать компоненты по отдельности и собрать наземный макет спутника.

7. Найти «чистую комнату» и собрать летный образец.

8. Протестировать летный образец на Земле.

9. Отправить аппарат на космодром — чаще всего это происходит через брокера с дополнительными испытаниями.

10. Подготовить Центр управления полетом и ждать старта.

Дальше расскажу, как мы двигались по этим шагам.

Выбираем орбиту

В нашем случае задачей было отработать системы, поэтому высота орбиты не так важна. Нам было важно наклонение, чтобы аппарат как можно чаще пролетал над нашей станцией в Армении и мы могли принять данные.

Моя специальность — управление полетом, баллистика, так что выбор орбиты — моя непосредственная задача. Я считал, сколько времени аппарат будет находиться над нашей станцией, и сопровождал весь процесс выбора орбиты. Но нам было критично запустить аппарат как можно скорее, поэтому мы сразу стали выбирать, к какой компании обратиться. Рассматривали SpaceX, Rocket Lab и даже ISRO — индийское космическое агентство: сравнивали цены (а это порядка 10 000 $ за килограмм), даты запусков и орбиты. Обычно ракеты запускают несколько больших аппаратов как основной груз, а остальные летят попуткой на те орбиты, которые, скажем так, находятся «по дороге». SpaceX оказался надежнее, а нам не хотелось рисковать. Из нескольких вариантов орбит выбрали самую раннюю и с наибольшим временем над Арменией. 

Мы торопились, и это накладывало отпечаток на процесс. А как должно было быть по-правильному? 

Выбор орбиты и полезной нагрузки — это всегда итерационный процесс, где хочется и подешевле, и чтобы задачи выполнялись эффективно. На выбор орбиты влияют:

• параметры самой полезной нагрузки;

• время повторного пролета над нужным районом и длительность сеанса связи со станцией для передачи данных на Землю.

Например, для наблюдения Земли логичный вариант — невысокая орбита (~400 км): камера может быть проще, а детали на снимках — отличные. Чем выше поднимаемся, тем мощнее (и обычно дороже) должна быть камера. В зависимости от размера фотографий можно рассчитать, какой мощности должен быть передатчик и сколько времени нужно для отправки данных. Более высокие орбиты обычно выбирают для научных целей или специфических задач.

Именно орбита и характеристики полезной нагрузки влияют на дальнейшие решения по базовым системам аппарата.

Рассчитываем базовые системы спутника и подбираем под них компоненты, чтобы наша полезная нагрузка работала исправно

Сначала давайте посмотрим, из чего вообще состоит спутник.

Спутник — это базовая платформа (условно, шина), к которой добавляют полезную нагрузку. Полезная нагрузка — то, ради чего все затевалось: камера, датчики и прочие технологии. Если сравнить с автомобилем, то платформа — это все, что везет вашу миссию и обеспечивает ей жизнь, а полезная нагрузка — то, что едет внутри.

В базовой платформе обычно такие системы:

• Бортовой компьютер — мозг, который раздает команды и выполняет расчеты.

• Электропитание — аккумуляторы и солнечные панели, которые дают энергию и копят ее.

• Связь — антенны или радио, чтобы принимать команды и телеметрию с Земли и отправлять телеметрию и данные.

• Система управления движением и ориентацией — двигатели, магнитные катушки, реакционные маховики; сюда же входит и навигация по GPS.

Не забываем наземный сегмент: станция приема и передачи данных и Центр управления полетом (ЦУП). Его можно построить самому или арендовать — это снова вопрос задач и бюджета. Про это еще напишу ниже.

Что было у нас: 

• Приборы, которые ребята строили сами. Мы знали их мощность и затраты по ней.

• Орбита, на которую выведут аппарат. Мы знали, сколько времени в сутках он будет пролетать над станцией.

Отсюда:

• посчитали, какой должна быть система радиосвязи: мощность антенн на аппарате и на Земле, чтобы данные вовремя до нас доходили;

• поняли, какой должен быть бортовой компьютер — без особых вычислительных мощностей;

• прикинули, какие должны быть аккумуляторы и какого размера будут солнечные батареи, чтобы наши приборы, бортовой компьютер и система связи работали корректно;

• появилась примерная масса аппарата — с этими данными мы уже могли забронировать место на ракете.

Так мы получили базовые характеристики (мощности, размеры, затраты питания), по которым можно было заказывать оборудование.

Заказываем железо

С каждым годом поставщиков компонентов для спутников становится все больше, вы можете просто загуглить их в интернете. Купить компоненты сейчас не сложнее, чем комплектующие для вашего персонального компьютера. Можно приобрести не просто отдельные части, но и готовые решения под ключ для малых аппаратов. Например, купить полный пакет — это каркас аппарата, бортовой компьютер, система электропитания и солнечные батареи, система связи у одной компании. Все, что вам остается, — присоединить ваши приборы и все это запрогать. 

Но интеграция готовых компонентов в единую систему — задача не из простых. Нужны инженеры, программисты, их работу придется организовывать. На этом этапе бывает сложно состыковать базовое оборудование и полезную нагрузку, а также комплектующие, купленные у разных производителей. Еще под задачи интеграции нужно разрабатывать отдельный софт. Поэтому в первых миссиях рекомендую максимально использовать техподдержку производителей — это сэкономит месяцы работы и много нервных клеток.

В свое время на это мы и напоролись. Наша команда была небольшой, и программисты буквально замучились в попытках понять, как работает софт поставщика, как запрогали наши приборы производители и как это все соединить. Оказалось, что в разработке спутника работы для программистов больше, чем для инженеров. Не все работало так, как описывали производители, документация была ужасной, а техподдержка отвечала крайне редко. Что ж, человеческий фактор: мошенников нужно остерегаться даже в космосе…

Доставку оборудования мы ждали пару месяцев. Вот это была радость, когда все наконец приехало! Аппарат маленький, так что все детали были похожи на детский конструктор — вот только стоил он сотни тысяч долларов. Оставалось все это собрать.

Бронируем время и согласовываем юридическую часть

Параллельно со сбором компонентов можно планировать запуск и заниматься юридической частью. После предварительного расчета массы аппарата сразу бронируйте слот для запуска на орбиту. Запуски происходят не каждый день, часто слоты бронируются за несколько лет до дня Х.

Для удобства в таких случаях часто обращаются к посредникам или брокерам. Это похоже на ситуацию, когда заказываем такси: мы не связываемся напрямую с таксистами, а обращаемся в сервис, который находит ближайшего водителя. С запусками спутников ситуация такая же: можно обратиться к компании-посреднику, чтобы запустить ваш аппарат, а не писать напрямую в SpaceX. К тому же посредники предоставляют важные услуги — например, техническую поддержку и дополнительное тестирование спутника (об этом позже). 

В общем, запустить спутник — это не бумажный самолетик пульнуть: романтика космоса сталкивается с вполне земной бюрократией. Перед запуском нужно получить официальные разрешения. Для малых аппаратов это минимум разрешение в своей стране, но чаще всего нужна лицензия на космическую деятельность. Ее получение может занять несколько месяцев, а то и больше. Да-да, мы тоже получали лицензию на деятельность в Армении.

Следующий шаг — координация частот. Та радиочастота, на которой вы передаете данные со спутников на Землю. Их нужно зарегистрировать в национальном реестре (для РФ это Государственный комитет по радиочастотам), а посл�� сообщить в International Telecommunication Union (ITU, Международный союз электросвязи). Союз следит, чтобы спутники и прочие радиосистемы не мешали друг другу с точки зрения радиочастот. Заявку подает государство — член ITU, которое описывает частоту, планируемую в проекте. Часто эта процедура проводится через госорганы и занимает немало времени. 

Тестируем компоненты по отдельности и собираем наземный макет спутника

После того как мы распаковали оборудование, нужно внимательно проверить все детали. Техника очень сложная, и во время доставки ее легко повредить. Представьте, что у вас есть куча маленьких «кирпичиков»: аккумуляторы, платы управления, датчики, антенны. Нужно проверить каждый, убедиться, что все работает как часы. Это позволяет найти и поправить недочеты до того, как вы соберете из множества составляющих одну систему.

Самый интересный и при этом нудный процесс — сборка аппарата. И в нашем проекте это была одна из моих задач. А так как подобного опыта не было, меня даже отправили на стажировку в Индию. Да, я провел два месяца в Индии и учился собирать спутники — звучит как сюр. Про этот опыт можно написать отдельную статью.

Итак, я разработал последовательность, в которой должны были собираться все элементы спутника — от сборки каркаса до закрепления последней солнечной панели. На каждом этапе должны тестироваться все системы. Например, соединили бортовой компьютер и систему связи, проверили, что сигналы проходят. Соединили солнечную панель, проверили, что электричество вырабатывается. Очень скрупулезный процесс.

Прежде чем собирать летную версию аппарата, сначала нужно построить наземный макет. Это своего рода тренировочная модель для отработки сборки и работы систем в реальных условиях. На ней можно «пощупать» программное обеспечение, проверить взаимодействие всех компонентов, найти баги и устранить «косяки», чтобы в итоге на орбите у нас было максимум уверенности в надежности аппарата. Оборудование дорогое и сложное, а разбирать спутники еще сложнее, так что удобнее проверить работу на тестовой версии, а потом уже строить летную. Именно на этом этапе рождается первый настоящий «живой» предок спутника, который готов к серьезным испытаниям на земле.

Находим «чистую комнату» и собираем летный образец

Летный образец должен быть собран в «чистых комнатах». В космической промышленности это специальные помещения с максимально контролируемой средой, где количество пыли и микроорганизмов сведено к минимуму и поддерживаются определенная влажность и температура. Это правда критично, ведь даже мельчайшая пылинка или загрязнение могут нарушить работу сложной электроники и оптических систем нашего спутника.

А вот и моя фотка в «чистой комнате», где я собираю солнечную панель аппарата. Чувствуешь себя как в фильме!

Комнаты бывают разные, на них есть определенные ГОСТы. В зависимости от сложности спутника требования к чистоте комнаты тоже отличаются. Кстати, такие помещения можно построить самостоятельно или арендовать. 

Гоняем аппарат по тестам на Земле

Космос — уникальная среда для работы техники. Там вакуум, а температуры на свету и в тени могут колебаться от +120 до - 80 градусов. Аппарат делает виток вокруг Земли на высоте 400 км за полтора часа, поэтому процесс нагрева и охлаждения происходит циклично. 

Наша задача — отработать технику в условиях, максимально приближенных к космосу, так что собранные аппараты тестируются в термовакуумных камерах. Здесь создается практически настоящий космос: вакуум и резкие перепады температуры, которые моделируют нагрев при освещении и быстрое охлаждение в тени. Это очень важно, потому что в космосе материалы и электроника ведут себя не так, как на Земле. Могут появиться трещины, потеря герметичности, сбои в работе. Мы тщательно проверяем, как ведут себя узлы и соединения при таких нагрузках.

Кроме термовакуумных испытаний, на этапе тестирования компоненты подвергаются и другим проверкам. Среди них тесты, которые имитируют вибрации при запуске на ракете, и электромагнитные испытания, чтобы убедиться, что электроника спутника не мешает себе и окружающим системам (если они есть).

Все эти испытания — наша гарантия, что спутник выдержит суровые условия космоса и будет выполнять свои задачи, несмотря на постоянное «качание» между жарой и холодом. Ну и что при вибрациях ничего не отвалится. Именно благодаря тщательному тестированию мы уменьшаем риск поломок и повышаем шансы миссии.

Часто брокеры берут тестирование на себя в качестве дополнительной услуги. У компаний, запускающих спутники в космос, тоже могут быть свои требования — например, по вибрационным испытаниям. А иногда ряд тестов проводится на космодроме. Все зависит от сложности спутника и требований ракеты-носителя.

Отправляем аппарат на космодром 

Доставить спутник на космодром — отдельная задача. Мы везли его в ручной клади в специальном контейнере. Благо для малых аппаратов такое возможно. Конечно, нужно таможенное разрешение. Перед закрытием последней панели аппарата таможенники приехали посмотреть, что внутри, и выдали разрешение. Ощущение было такое, словно отправляешь ребенка в первый класс!

Для больших аппаратов доставка уже сложнее. Тут нужен либо грузовой самолет, либо специально оборудованный автомобиль. Обычно после транспортировки уже на космодроме аппараты проверяют еще раз: вдруг по дороге что-то отвалилось? 

Иногда компании, которые предоставляют услуги запусков, разрешают присутствовать команде на космодроме. В нашем случае я следил за запуском из Центра управления. 

Настраиваем Центр управления полетом

Пока спутник едет к старту (а этот процесс может занять несколько месяцев), самое время сфокусироваться на ЦУП. С его помощью вы будете получать данные со спутника, передавать команды на аппарат, следить за корректностью работы всех систем и при необходимости принимать меры.

Самое важное звено — система приема данных. Это антенна, которая отслеживает положение аппарата и наводится на него, когда он проходит над станцией. Часто у нее автоматический привод. Связь обычно ведется по радиоканалу в диапазонах UHF, S-band или X-band, в зависимости от задач миссии и объема данных.

В самом Центре управления стоят компьютеры, где операторы видят телеметрию спутника — температуру, напряжение, токи, ориентацию, состояние аккумуляторов и многое другое. Операторы проверяют системы, принимают научные или технические данные, отправляют команды. В зависимости от миссии дежурство может быть круглосуточным или по расписанию сеансов связи. Часто большую часть процессов автоматизируют: система сама отслеживает параметры и предупреждает о возможных отклонениях, а операторам остается контролировать общую картину.

ЦУП можно создать самостоятельно или арендовать — мы пошли по первому пути. Есть компании, предлагающие «ЦУП-как-сервис», где оператор получает удаленный доступ к спутнику через готовую инфраструктуру и антенны в разных странах. Для простых миссий ЦУП может быть даже виртуальным: операторы подключаются онлайн, а антенны и станции управления находятся у партнеров.

Перед запуском в ЦУП проводят репетиции сеансов связи с использованием наземного макета спутника, чтобы отработать все сценарии — от штатной работы до аварийных ситуаций. Это позволяет быть готовыми к моменту, когда аппарат впервые выйдет на связь после отправки в космос.

Я как раз был оператором ЦУПа. Навсегда запомню момент, когда мы получили первую весточку от аппарата. Выглядела она так:

Мы видим радиосигнал в чистом виде в специальной программе. Дальше эти данные расшифровываются, и мы получаем телеметрию с аппарата. Увидели первый сигнал? Можно открывать шампанское!

Нам удалось достичь цели

Наш аппарат провел в космосе 1,5 года. К моменту написания этого текста он сошел с орбиты. Все системы отработаны, цели выполнены, техника отработала штатно. А главное — команда научилась создавать такие аппараты с нуля. Лично я впервые работал с полным циклом сбора и запуска спутника.

На сегодня у меня все. Я постарался понятно рассказать, как мы организовали наш проект, но описание относится к малым аппаратам и кубсатам. Для больших и дорогих спутников чаще производят уникальные компоненты и собирают только летный образец, ведь создание еще и земного варианта может значительно ударить по бюджету. При этом испытания становятся более сложными и длительными.

Сегодня сборка малых аппаратов сильно упростилась, хотя это и не значит, что спутник придет вам в коробке с курьером и будет сразу готов к запуску. Хотя идея для стартапа неплохая. Большую часть задач действительно можно отдавать на аутсорс, и тогда ваша ключевая работа будет состоять лишь в том, чтобы грамотно соединить компоненты и правильно все запрограммировать. 

Друзья, интересен и ваш опыт создания сложных систем, а может, даже и спутников. Если я описал что-то схожее с ва��ей сферой деятельности — пишите в комментариях и делитесь опытом, с радостью почитаю!