21.11.2014

Хитроумная «начинка» для «Аиста», «Фотона» и «Ресурса»

Роскосмос заявил о планах резко снизить зависимость России от зарубежных данных дистанционного зондирования Земли и сделать космические снимки земной поверхности доступными не только для госструктур, но и для коммерческих предприятий. Реализовать эти планы помогут разработки Института космического приборостроения СГАУ.

В Институте космического приборостроения СГАУ создается современная аппаратура для космических аппаратов и уникальное оборудование для научных исследований.

Свои «глаза» на орбите

На прошлой неделе стало известно, что Россия планирует активно наращивать группировку орбитальных аппаратов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). До конца 2014 года должен быть запущен второй спутник «Ресурс-П», разработанный в самарском РКЦ «Прогресс», а к 2020 году Роскосмос рассчитывает увеличить количество российских спутников ДЗЗ на орбите до 25 аппаратов.

Это позволит не только свести к минимуму закупки иностранных снимков земной поверхности, но и сделать данные дистанционного зондирования Земли доступными коммерческим предприятиям. Уже в ближайшее время Роскосмос планирует сделать общедоступным портал открытых данных, в котором хранятся снимки с разрешением от 20 метров.

В решении всех этих задач примут участие не только такие аппараты ДЗЗ разработки РКЦ «Прогресс», как «Ресурс-ДК», «Ресурс-П» №№ 1 и 2. Не только модифицированный «Ресурс-ПМ», запуск которого, как считают в Роскосмосе, может состояться уже в 2017 году. Внесут свой вклад и малые космические аппараты серии «АИСТ-2», над созданием которых сейчас совместно трудятся сотрудники «Прогресса» и Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ).

Однако на пути разработчиков столь необходимых всем спутников встает немало проблем. Например, чтобы получить высокое качество снимков, очень важно обеспечить точную ориентацию орбитальных «фотоаппаратов». Нужно обеспечить долговечность оптических элементов, солнечных батарей, которым в жестких условиях космоса приходится «несладко». Нужно защитить аппараты от потоков метеоритов, от космического мусора, а для этого необходимо знать, на каких высотах их больше, а на каких — меньше.

Решением этого комплекса проблем занимаются специалисты Института космического приборостроения (ИКП) СГАУ.

«Компас» на орбите Земли

Если вам нужен космический снимок высшего качества, необходимо точно нацелить аппарат на объект съемки. Если вы хотите в космическом эксперименте вырастить идеальный кристалл, то стремительно мчащийся спутник должен «замереть» — лететь по орбите, не вращаясь вокруг осей. Иначе вращательные микроускорения все испортят. Как добиться этого? Ведь космическое пространство пронизывают потоки частиц, микрометеориты, и этот невидимый «ветер» давит на аппарат, заставляя его беспорядочно вращаться!

Рулевые двигатели для таких задач слишком грубы, и ученые придумали корректировать вращение аппарата с помощью магнитного поля Земли. Поставили мощные магниты, превратив спутник в некое подобие стрелки компаса. Оказалось, такая «система сброса кинетического момента» работает неплохо. Вот только «всплески» полей от магнитов мешают бортовой аппаратуре. Как быть?

В ИКП СГАУ нашли решение. Их система компенсации микроускорений (КМУ) прошла испытания во время полета космического аппарата «Фотон-М» летом 2014 года. В этом полете ученые «аэрокоса» лишь проверяли работу аппаратуры и программного комплекса, не мешая работе штатных систем ориентации. Но вот на малых космических аппаратах «АИСТ-2» система КМУ уже может стать составной частью системы управления аппаратом.

«У нашей системы компенсации микроускорений есть два важных преимущества перед штатными системами. Во-первых, есть возможность управлять токами, которые подаются на магниты. Мы можем точнее управлять вращением космического аппарата и более плавно перевести его в нужное положение. Это обеспечивает более высокое «качество» невесомости на борту и более точную ориентацию в пространстве, – рассказывает старший научный сотрудник Института космического приборостроения СГАУ, к.т.н. Игорь Пияков. – А во-вторых, благодаря тому, что мощность управляющих магнитных полей в нашей системе КМУ во много раз меньше, она не создает помех работе другой исследовательской аппаратуры».

Широким фронтом

Тематика работ Института космического приборостроения СГАУ широка. Одно из центральных мест в ней отводится изучению того, как влияет космическая среда на материалы, из которых изготовлен космический аппарат, на радиоэлектронную аппаратуру, на оптику.

Как раз сейчас Игорь Пияков работает над перспективным прибором для определения состава собственной воздушной атмосферы и ионизирующих излучений внутри спутника. Этот прибор - целая мини-лаборатория. В его составе масс-спетрометрический датчик, датчик атомарного кислорода, датчик «солнечного ветра» и дозиметр. Комплекс будет определять интенсивность гамма-излучения, теплового нейтронного излучения, энергию «солнечного ветра», состав воздушной атмосферы внутри аппарата и вокруг него, концентрацию в ней атомарного кислорода.

Старший научный сотрудник ИКП СГАУ Михаил Калаев разрабатывает так называемый датчик частиц. Он поможет проследить за тем, как под действием микрометеоритов постепенно разрушаются в открытом космосе различные материалы. Прежде всего исследователи планируют наблюдать за образцами из оптического стекла и за пластинами, из которых собирают солнечные батареи.

И то, и другое очень важно. Стойкость оптики - залог высокого качества космических фотоснимков. А выносливость материалов солнечных батарей — это надежное энергоснабжение спутника в течение всего полета.

Но как ни старайся, космос все равно свое возьмет. Линзы объектива помутнеют, солнечные батареи потеряют эффективность. Другое дело, если удастся отыскать такие орбиты, где меньше космического «мусора» и микрометеоритов. Но как это сделать?

Старший научный сотрудник ИКП СГАУ Алексей Телегин разрабатывает прибор с простым названием «Метеор». Датчики этого прибора будут регистрировать каждый удар микрометеорита, определяя не только их массу и скорость, но и направление, откуда прилетела частица. За время полета спутника прибор соберет уникальную информацию о плотности потоков микрометеоритов и направлении их полета. Это поможет баллистикам выбирать орбиты, более безопасные для космических аппаратов.

На космических скоростях

Масс-спектрометр и датчик частиц, «Метеор» и система компенсации микроускорений - все эти приборы предназначены для космических аппаратов. Но очень часто ученые-экспериментаторы ждут очередного космического старта годами, да и не каждый эксперимент включат в программу полета. А что если сымитировать условия ближнего космоса в лаборатории?

Специалистам самарского «аэрокоса» и такое по силам. Старший научный сотрудник ИКП СГАУ Алексей Пияков (они с Игорем Пияковым братья-близнецы, вместе закончили СГАУ и работают в одном подразделении) показывает «лабораторный стенд моделирования факторов космической среды». Проще говоря, ускоритель микрочастиц. В его рабочей камере — самый настоящий «ближний космос». Глубокий вакуум, излучения от электронной пушки и источника ультрафиолета и мощный, разрушительный поток высокоскоростных микрочастиц.

В канале ускорителя под действием мощных ускоряющих электрических полей (общее напряжение 750 киловольт!) микрочастицы размером от 0,1 до 1 микрометра разгоняются до огромных скоростей: от 5 до 15 км/сек. Так что если поместить в камеру мишень, например, пластину, из которой собираются солнечные батареи, или пластину из оптического стекла, можно, не поднимаясь на орбиту, проследить, что станет с ними через год полета, через пять лет...

Когда Алексей Пияков молодым аспирантом пришел в Институт космического приборостроения, было задание разработать ускоритель микрочастиц. И была статья по ускорителям американского ученого Слоуна Лоуренса — публикация 1978 года в журнале «Приборы для научных исследований». Вот и вся теоретическая база. Плюс знания, полученные в аэрокосмическом университете. Итог многолетней работы — кандидатская диссертация и работающий ускоритель. К слову, стоимость аналогичных американских устройств эксперты оценивают в 5-6 млн долларов.

А совсем скоро в ИКП СГАУ появится еще один, помощнее. Как рассказал директор института профессор Николай Семкин, в нем вместо частичек алюминиевой пудры микронных размеров будут разгоняться до космических скоростей крупные частицы размером 2-3 миллиметра. Их скорость — до 6 км/сек. Самые настоящие микрометеориты! Это откроет новые возможности для исследований в области космического материаловедения.

В планах Самарского аэрокосмического университета — расширение международных научных связей, международного сотрудничества. Среди совместных проектов с зарубежными вузами и компаниями есть и космические. В частности, будут проектироваться новые малые орбитальные аппараты. В их разработке самое непосредственное участие примет и Института космического приборостроения СГАУ.

Международные проекты и лаборатории СГАУ:

• Проект создания малогабаритных космических аппаратов (совместно с Берлинским техническим университетом, Германия);
• Проект создания технологий проектирования и производства газотурбинных двигателей (совместно с университетом Штутгарта, Германия);
• Проект создания центра приема и обработки информации со спутников (совм. с Высшим институтом аэронавтики и космоса, г. Тулуза, Франция);
• Проект управления гидроприводом мобильных объектов (совм. с университетом г. Бат, Великобритания);
• Проект оптической когерентной томографии (совместно с университетом г. Хьюстона, США);
• Проект газодинамических исследований (совместно с компанией «Хальдор Топсё», Дания);
• Проект изготовления индукторных систем (совместно с Всекитайской Импортно-экспортной компанией точного машиностроения, Китай);
• Проект магнитно-импульсной формовки (совместно с НТЦ «Алкоа», США).
• Лаборатория навигационных приёмников (рук. Кай Борре, университет Ольбурга, Дания);
• Лаборатория мехатроники и гидропривода (рук. Андреа Вакка, университет Пурдью, США);
• Лаборатория новых методов в области гематологии (рук. Кирилл Ларин, университет Хьюстона, США);
• Лаборатория разработки и исследования тросовых систем (совместно с Северо-западным политехническим университетом г. Сиань, Китай).

Пять самых важных и перспективных направлений исследований Института космического приборостроения СГАУ

По каким направлениям ведутся исследования в Институте космического приборостроения СГАУ?

Николай Семкин, доктор технических наук, профессор, директор Института космического приборостроения СГАУ:

Направлений много, пять из них наиболее важные и перспективные. Мы традиционно занимаемся изучением характеристик метеорного вещества в околоземном пространстве. Это первое направление работы, и оно очень актуально, поскольку потоки микрочастиц оказывают заметное воздействие на космические аппараты. Сейчас в рамках этого направления растет интерес к изучению влияния частиц техногенного характера, а проще говоря — различного космического мусора. Например, частей разрушившихся космических аппаратов.

Техногенного мусора в ближнем космосе уже сейчас очень много, а с появлением малых и сверхмалых аппаратов (различных наноспутников, пикоспутников) его будет еще больше. И это тревожит разработчиков космической техники. Нужны исследования, и мы ими занимаемся.

Влияние самой космической среды - а это излучения, электромагнитные поля, атомарный кислород и многое другое — наверняка интересует конструкторов не меньше, чем тема космического мусора...

Это второе традиционное направление нашей работы. Большинство автоматических аппаратов сейчас негерметичны, поэтому и снаружи, и внутри на них действуют все факторы космической среды. Мы изучаем их воздействие на различные электронные устройства, микросхемы, оптическое стекло, материалы солнечных батарей.

Третье направление - изучение электризации космических аппаратов. За время полета малых космических аппаратов «АИСТ» первой серии нам удалось получить много бесценной научной информации об этом грозном явлении. Мы знаем, как накапливается заряд. Знаем, насколько высоким может оказаться потенциал наэлектризованных частей космического аппарата. Например, на геостационарной орбите - до 20 киловольт. Последствия — неконтролируемые мощные разряды, отказы бортовой аппаратуры. Сейчас наши специалисты готовят ряд научных публикаций на эту тему. Они помогут решить конкретные проблемы.

Очень часто ученым необходимо, чтобы значение микроускорений на борту космического аппарата было как можно меньше, чтобы во время эксперимента - никаких ускорений! Тема управления микрогравитацией вам интересна?

Изучение влияния микрогравитации на живые организмы, а также контроль и управление микрогравитацией в полете — это четвертое направление работы ИКП СГАУ. У нас много собственных разработок — это аппаратура, успешно испытанная во время реальных космических полетов. Наша система компенсации микроускорений апробирована на научно-исследовательском аппарате «Фотон-М», разработанном в РКЦ «Прогресс». В ближайшей перспективе она может стать частью штатной системы управления космическими аппаратами, в частности на спутниках серии «АИСТ».

Все, о чем вы рассказываете, касается космических экспериментов и бортовой аппаратуры. А техника для лабораторных исследований?

Вот как раз ускорительная техника для изучения влияния космической среды на материалы — это пятое направление наших исследований. Мы разработали и построили ускоритель микрочастиц. В начале 2015 года запустим еще один ускоритель электромагнитного типа.

Евгений Шахматов, ректор Самарского государственного аэрокосмического университета:

Научные исследования, которые заканчиваются только увесистыми отчетами, сегодня никому не нужны. Совсем другое дело, если эти исследования и научные статьи будут посвящены конкретной разработке, которая либо полетит, либо поедет или будет давать какой-то другой экономический эффект. Вот, например спутники «АИСТ». Они по сей день успешно работают на орбите в качестве космической лаборатории. В создании первого поколения спутников приняли участие более ста студентов СГАУ. Большинство из них сейчас ведут новые научные исследования или заняты на производстве высокотехнологичных изделий. При реализации проекта защищено более 50 дипломных работ, подготовлено свыше 20 выпускных работ бакалавров, защищено 9 магистерских и 5 кандидатских диссертаций.

Алексей Пияков, старший научный сотрудник Института космического машиностроения СГАУ:

Ускоритель микрочастиц - уникальная разработка нашего института, защищенная несколькими патентами. Он позволяет исследовать влияние космической среды на конструкционные материалы. Помещая в рабочую камеру ускорителя мишени из различных материалов, мы можем «обстреливать» их потоком скоростных микрочастиц, одновременно подвергая воздействию потока электронов и ультрафиолетового излучения. Это дает возможность в условиях лаборатории наблюдать за процессом разрушения материалов и прогнозировать, как они поведут себя в условиях реального космоса. Сегодня мы работаем с ускоряющим напряжением в 750 кВ и видим возможности существенно его увеличить, чтобы работать с частицами более высоких энергий.

Петр Слизевич

Источники:

1. vkonline.ru