В МАИ завершается разработка уникальной системы ориентации космических аппаратов

Индустрия малых космических аппаратов продолжает стремительно развиваться. Невысокая стоимость разработки и небольшие сроки изготовления малых спутников открывают доступ в космос всё большему числу компаний.

Космические аппараты становятся миниатюрными и технологичными, а это значит, что от систем, обеспечивающих их жизнедеятельность, требуется максимальная компактность без потери надёжности. В настоящее время в Московском авиационном институте завершается разработка не имеющей аналогов системы ориентации для космических аппаратов, основными преимуществами которой являются небольшая масса и простая конструкция, что полностью соответствует основным требованиям рынка.

Две задачи

Под руководством профессора Алексея Владимировича Ненарокомова работу над новой системой ведёт группа сотрудников лаборатории тепловых исследований кафедры 601 «Космические системы и ракетостроение»: Будник Сергей Александрович, Иванов Николай Анатольевич, Меднов Алексей Георгиевич, Самарин Валерий Викторович, Титов Дмитрий Михайлович и Чебаков Евгений Владимирович, а также профессор кафедры 806 «Вычислительная математика и программирование» Ревизников Дмитрий Леонидович и ассистентка Математического института им. С. М. Никольского РУДН Неверова Дарья Андреевна. В экспериментальной части исследований активное участие принимала группа сотрудников кафедры 208 «Электроракетные двигатели, энергетические и энергофизические установки» под руководством профессора Надирадзе Андрея Борисовича.

Принцип работы системы основан на решении двух обратных задач теплообмена. Первая из них — определение поглощённых тепловых потоков от Солнца и планеты по измерениям внутренних температур датчиков радиационных тепловых потоков. Вторая — вычисление углов ориентации космического аппарата по известным значениям поглощённых тепловых потоков.

— Решение первой задачи было предложено давно, — рассказывает один из участников проекта, ассистент кафедры 601, кандидат технических наук Евгений Чебаков. — Сейчас изготавливают различные датчики, предназначенные для определения теплового потока, однако их применение на космическом аппарате затруднительно по разным причинам. Например, некоторые из них не предназначены для работы в космической среде, а другие имеют сложную конструкцию, большие габариты и массу. Помимо этого, есть и другие требования к датчикам: они должны определять тепловой поток в динамике, быть изолированными от приборов и элементов конструкции космического аппарата и т. д. Таким образом, техническую часть задачи пришлось решать практически с нуля.

На ранних этапах проекта коллектив разработал программный комплекс для решения первой и второй обратных задач, были созданы первые прототипы датчиков, проведён ряд предварительных тепловых испытаний. После этого прототипы вместе с системой сбора и обработки телеметрии были испытаны в термовакуумной камере на кафедре 208 «Электроракетные двигатели, энергетические и энергофизические установки». По результатам испытаний был выбран наиболее эффективный прототип датчика на основе тонкой медной пластины.

— В конце прошлого года мы провели термовакуумные испытания датчика вместе с новой системой сбора и обработки телеметрии, которая будет решать две обратные задачи, — говорит молодой учёный. — Она состоит из платы сбора телеметрии, разработанной нашим коллективом, и микропроцессора Raspberry Pi Zero.

Преимущества системы

Сегодня для определения ориентации космического корабля применяют системы двух основных типов: оптические (солнечные и звёздные датчики, инфракрасная вертикаль) и магнитные (магнитометры). Также применяются инерциальные датчики, но со временем они накапливают ошибки, поэтому должны работать только вместе с оптическими или магнитными.

Все эти системы имеют свои достоинства и недостатки. Например, космическому аппарату с оптическими датчиками необходимо время, чтобы навести их на объект — Солнце, планету — или сопоставить текущее положение со звёздной картой. Оптические датчики имеют самую высокую точность, но их матрица подвержена влиянию радиации, что сказывается на надёжности. Солнечные датчики и инфракрасная вертикаль дополняют друг друга, так как по отдельности не могут определить угол вращения относительно объекта наведения. Также солнечные датчики не работают в тени планеты, а инфракрасная вертикаль и магнитометры — вдали от планеты.

— Датчики, применяемые на нашей системе ориентации, состоят из тонкой металлической пластины, термооптического покрытия на облучаемой поверхности и термопары на обратной стороне, — объясняет Евгений Чебаков. — Конструкция простая, поэтому в ней просто нечему ломаться. Надёжность разрабатываемой нами системы сопоставима с надёжностью магнитометров. При этом она может применяться как в тени планеты, так и при межпланетных перелётах. Один датчик будет весить всего несколько граммов, а сама система не потребует много энергии. При этом время на определение ориентации — минимальное, в среднем около 3–5 секунд для запуска алгоритма, а далее менее секунды.

Основным недостатком метода является относительно низкая точность: погрешность может составлять от 1 до 8 градусов. Тем не менее, система может использоваться для предварительной ориентации с последующим применением более точных датчиков либо служить основной на аппаратах, для которых подобная погрешность не критична.

— Для минимизации отдельных недостатков инженеры комбинируют различные датчики. Таким образом, наш подход может дополнить имеющиеся методы, увеличить эффективность ориентации и, конечно, повысить надёжность, — отмечает исследователь.

На орбиту

На следующем этапе работ научный коллектив планирует провести лётные испытания системы. Для этого с МКС планируется запустить маёвский спутник-кубсат, оснащённый экспериментальной системой на основе шести датчиков.

— Если всё пройдет хорошо, то на базе конструкции этого аппарата будут создаваться следующие кубсаты, включая маневрирующие, — заявляет начальник студенческого конструкторского бюро «Искра» МАИ Сергей Олегович Фирсюк.

Изначально планировалось запустить спутник весной этого года, но пандемия изменила планы учёных и график разработки спутника. В ближайшее время планируется провести дополнительные термовакуумные испытания системы в сборе, а также испытания спутника с системой, по итогам которых будет решаться вопрос о сроках проведения следующего этапа.

Специалисты МАИ уверены, что новая система заинтересует организации, которые занимаются разработкой малых космических аппаратов. Предполагается, что на неё обратят внимание и крупные производители, заинтересованные в повышении надёжности своей продукции и увеличении срока её активного существования, так как система может устанавливаться на больших космических аппаратах со сложной конфигурацией в качестве дополнительной или резервной. После доработки имеющейся математической модели метод может применяться для межпланетных перелётов. Кроме того, создатели уже наметили путь совершенствования метода для повышения его точности, так что не исключено, что вскоре маёвская разработка займёт существенную долю на рынке систем ориентации космических аппаратов.