4 октября 1957 года для человечества началась космическая эра. В этот день был запущен первый искусственный спутник Земли — советский «Спутник-1». Тысячи конструкторов, инженеров и учёных работали над этой задачей почти 10 лет. Сегодня запустить орбитальный спутник под силу даже школьникам — мы расскажем, как это сделать.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №8(36). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Если хочется сделать что-то космическое, начать можно со спутников, причём небольших. Инженеры классифицируют их по весу: мини-спутники (до 500 кг), микроспутники (до 100 кг), наноспутники (до 10 кг), пикоспутники (до 1 кг) и фемтоспутники (до 100 г). Несмотря на миниатюрные размеры и вес, малые космические аппараты решают много задач, нередко дополняя большие спутники и в чём-то даже заменяя их. 

Во-первых, эти малютки нужны для наблюдений за планетой и съёмок — дистанционного зондирования Земли. Во-вторых, они обеспечивают интернет в местах, где нет ретрансляционных вышек. В-третьих, на небольших спутниках испытываются новые технологии и ставятся эксперименты. Всё это возможно благодаря относительно небольшой стоимости этих аппаратов — от пары сотен до нескольких десятков тысяч долларов. Как следствие, собственными космическими приборами обзавелись многие университеты и энтузиасты. Всего было запущено более 1823 малых спутников, 587 из них всё ещё на орбите.

Запуск небольшого спутника не требует специальной квалификации и больших денежных затрат. К тому же можно использовать доступные технологические устройства, которые с каждым днём становятся всё более совершенными — это отлично видно, например, по мобильным телефонам. Так, на современных спутниках можно установить огромное количество датчиков и приборов, начиная с антенн и заканчивая спектрометрами.

Согласно расчётам NASA, более 95% всех объектов на около­земной орбите — это мусор. На рисунке представ­лена компью­терная модель его распреде­ления.

Если вы собираетесь запустить спутник, необходимо как следует обдумать задачу, которую вы хотите решить. В интернете можно найти много организаций и энтузиастов, которые имеют нужный вам опыт и могут подсказать, как действовать. Ваша цель должна быть осуществимой и хорошо продуманной, чтобы аппарат принёс пользу, а не стал мусором на орбите. Бездумные запуски приближают так называемый синдром Кесслера — ситуацию, когда космический мусор на околоземной орбите сделает ближний космос полностью непригодным для практического использования. Феномен назван в честь консультанта NASA Дональда Кесслера, который первым описал эту проблему.

В одиночку запустить спутник будет сложно. Поэтому сразу же ищите единомышленников — можно кинуть клич в социальных сетях, на профильных форумах, в университетах, где есть аэрокосмические специальности. Существуют даже летние космические лагеря, где команда вашей мечты уже собрана в полном составе. Для создания спутника потребуются конструкторы, электронщики, программисты, специалисты по баллистике и эксперименту, который вы планируете провести на орбите. Не забудьте о менеджере — он будет взаимодействовать с предприятиями и возьмёт на себя управление проектом.

Центр управления полётами NASA. ­Реакция диспетчеров на успешное завершение миссии «Аполлон-11» (16–24 июля 1969 года), в ходе которой человек впервые высадился на Луну.

Ни один космический аппарат не будет спроектирован, изготовлен и протестирован без технического задания. Это основной документ проекта, где описано всё: сроки выполнения, цель создания, технические требования, наполнение (полезная нагрузка), перегрузки, которые аппарат должен выдерживать, условия испытаний, материалы (они должны соответствовать стандартам), этапы выполнения работы, численные характеристики, которым должен удовлетворять спутник, распределение задач внутри команды, планы-графики и прочее. Именно этот документ вы будете показывать коллегам и представите в космическое агентство, чтобы получить разрешение на запуск.

Пришло время определиться с параметрами спутника. От того, какими будут его конфигурация и полезная нагрузка (научное наполнение), зависят форма, размер и множество иных характеристик. Для школьного или студенческого аппарата подойдёт формат наноспутника, а именно CubeSat — «кубик» размером 10 х 10 х 10 см. Прелесть кубсатов в том, что это конструктор. Составные части — кубики — можно собирать, то есть ставить друг на друга и соединять, чтобы увеличить количество отсеков для оборудования. Таким образом, размер CubeSat напрямую зависит от объёма научных задач, которые будет решить ваш спутник.

Необходимо понимать, с какими предприятиями ракетно-космической области вам предстоит сотрудничать и кто может оказаться полезен для реализации вашего проекта. Не исключено, что построить спутник вы сможете и сами, но дальше нужно будет его испытывать и получать лицензию на запуск, поэтому придётся взаимодействовать с космическими предприятиями. Без их помощи не обойтись: необходим опытный взгляд со стороны, хороший консультант, а лучше несколько. Плюс, как уже говорилось, спутник, будучи технически сложным объектом, должен пройти ряд испытаний и согласований. А для всего этого нужна база.

Во время своей двухлетней миссии спутник NEA Scout приблизится к исследуемому астероиду на солнечном парусе

Создание наноспутника — дело затратное, но осуществимое. По разным оценкам, вам потребуется от 50 000 до 100 000 долларов. Необходимо изготовить корпус, купить электронные компоненты, оплатить труд специалистов. Где взять деньги? У родителей не попросишь, по друзьям такую сумму не насобираешь. Но варианты есть.

Средняя стоимость запуска CubeSat в 2012 году оценивалась в 40 тысяч долларов. Но в то же время в рамках проектов NASA стоимость запуска может быть вдое меньше.

Если сумма не очень большая, можно запустить краудфандинговую кампанию, как сделали, например, создатели российского спутника «Маяк». Или попробовать найти инвестора и убедить его, что ваш проект классный и к тому же потенциально прибыльный. Можно подать заявку на грант от космических организаций. Можно стать исполнителем заказа частной фирмы, но для этого требуется опыт. Самый дешёвый и простой вариант — ­ сделать спутник в образовательном учреждении, например вузе или школе, а может, вообще в лагере, где есть космическая смена.

Модульность конструкции и относительная дешевизна малых спутников вскоре сделают их запуск общедоступным развлечением. По оценкам экспертов, лет через пять — десять позволить себе спутник сможет любая школа. А через двадцать — любой человек.

Уже сейчас с мобильного телефона можно заказать все комплектующие для спутника прямо на дом. После закупки компонентов начинается основной процесс — сборка. Вам нужно арендовать помещение с оборудованием (например, фрезерными станками и 3D-принтерами). Для этой цели подойдут фаб­лабы университетов, лаборатории, дедушкин гараж, в конце концов (главное — соблюдать технику безопасности!). Найдите помещение с оборудованием и собирайте спутник. Только помните: сразу несколько штук. Почему? Часть из них придёт в негодность во время испытаний.

Инженеры устанавливают датчики температуры на внутренние компоненты спутника для тестирования в полевых условиях

Получив документ, в котором написано: «Испытания успешно пройдены, можно запускать», можете приступать к поиску оператора — организации, которая выведет ваш космический аппарат на орбиту. Учтите, чем больше он весит, тем дороже процедура. Но если спутник образовательный, вы можете избежать этих расходов. У «Роскосмоса», например, есть программа, предусматривающая бесплатный запуск нескольких аппаратов, сделанных по заказу учебных заведений Российской Федерации.

Установка солнечной панели на мини-спутник Marco CubeSats

Приблизительно за месяц до старта нужно приехать на космодром, чтобы установить аппарат в контейнер. Есть два варианта выведения наноспутника на орбиту: запуском-выбросом из специального контейнера с ракеты-носителя или руками космонавтов во время работы в открытом космосе с борта МКС. Большая часть наноспутников летает на той же орбите, что и МКС (примерно 400 км, максимум 600). Хотя есть два кубсата (MarCO), которые летят к Марсу. Управляются небольшие спутники благодаря гиродинам — маховикам, применяемым для стабилизации устройства и предотвращения его закрутки. 

Корректировать траекторию можно за счёт вращения спутника: своим корпусом он способен как тормозить, так и ускоряться. На больших спутниках орбиту меняют с помощью двигателей, но на малые аппараты их почти не ставят: технология миниатюрных двигателей пока не очень развита. Однако есть кубсаты, которые перемещаются за счёт холодного газа, химических реакций или электрической силы.

27 февраля 2015 года с МКС была запущена серия небольших экспериментальных спутников CubeSat. Пуск произведён с помощью специального устройства, смонтированного на японском экспериментальном модуле JEM.

Если аппарат готов, приступайте к испытаниям — от них зависит, полетит спутник в космос или нет. Обычно происходит так: вы собираете свой летательный аппарат, испытываете его, что-то ломается или обнаруживается ошибка — процесс начинается заново. Необходимо проверить, как работают все системы по отдельности и в совокупности, стоимость ошибки велика. Конструк­ция должна выдерживать большие перегрузки и вибрации, возникающие при выходе на орбиту. Речь не только о том, чтобы спутник не развалился, но и о том, чтобы не отошли контакты.

Японский космонавт-бортинженер Коити Ваката готовится запустить CubeSat с борта МКС

На вибрационном стенде спутник тестируют на перегрузки (как во время настоящего полёта): колебания, ускорения, удары. Затем проводят термовакуумное испытание (может длиться несколько дней): получение данных со спутника тестируют в вакууме и с перепадами температур на контактной поверхности. Параллельно можно проверить электромагнитную совместимость оборудования. Всё это очень трудоёмкие процессы. Но можно запустить спутник в стратосферу — условия там максимально приближены к космическим.

Ракета «Минотавр-1» среди прочего доставит на орбиту 11 небольших спутников в рамках четвёртого учебного запуска по программе NASA «Наносателлит» (ELaNa)

Счастливый день настал: ракета взлетела, спутник выведен на орбиту — вас можно поздравить. Что дальше? Чтобы спутник передавал сигналы, надо выкупить определённые радиочастоты обычного УКВ-диапазона в Министерстве связи. Многие вузы в своих стенах создают центр управления полётами — специа­лизированное помещение со множеством больших экранов и рабочими местами, где принимают сигналы аппарата.

Спутники-близнецы MarCO-A и MarCO-B будут обслуживать исследовательский посадочный аппарат с сейсмометром InSight, предназначенным для изучения строения и состава Марса

Предположим, всё идёт как нельзя лучше: спутник вышел на расчётную орбиту, стабилизировался, включился и заработал. Что делаете вы? Запрограммировав станцию на приём данных в нужное время, сидите и ждёте, когда аппарат пролетит мимо. А дальше принимаете и обрабатываете сигналы. Иными словами, команда инженеров может выдохнуть — на вахту заступают учёные. Но это уже другая история.

Первый эстонский спутник ESTCube-1 — единственный в мире, использующий электрический парус. Стоимость аппарата составила 70 тысяч евро.

Если ваш спутник не заработал на орбите (такое тоже бывает), не грустите! Вы запустили в космос аппарат, а этим далеко не каждый может похвастаться. Нужно собрать как можно больше данных о запуске и попытаться найти причины сбоя. Ведь именно так и развивается ракетостроительная индустрия — учится на ошибках.

Материал подготовлен при участии заведующего лабораторией «Космические системы» образовательного центра «Сириус» Ивана Шекова и инженера «НПО Машиностроения» Дмитрия Галкина