Созданный вместе со школьниками «Сириуса» первый космический зондовый микроскоп стартует на орбиту в 2023 году
Кубсат «Нанозонд-1» позволит выяснить, как повреждается поверхность спутников в космическом пространстве
16 янв. 2023 г.
В 2023 году на околоземную орбиту будет запущен сканирующий зондовый микроскоп, который разработан совместно с российскими школьниками в рамках программы «Большие вызовы» Образовательного центра «Сириус». Космический аппарат позволит получать изображения поверхности материалов в условиях открытого космоса и решать задачи создания новых материалов. Запуск запланирован на май 2023 года с космодрома «Восточный».

Околоземное пространство – агрессивная среда для искусственных аппаратов, которые человек выводит на орбиту.  На их оболочку воздействуют космическая пыль и солнечное излучение, ионный ветер и частицы высокой энергии, удары нанометеоритов и фрагменты разрушенных спутников. Как повреждаются поверхности космических аппаратов и какими характеристиками должны обладать материалы для их изготовления − это предмет исследования учёных.

К решению этой задачи подключились воспитанники Образовательного центра «Сириус». В 2021–2022 годах они совместно со специалистами АО «Завод ПРОТОН» (г. Зеленоград), НИУ «МИЭТ» и ОГУ имени И. С. Тургенева создали прототип космического сканирующего зондового микроскопа и специальные антенны, которые будут принимать от него данные о воздействии космической среды на поверхность космических аппаратов. Проект назвали «Разработка и создание научно-исследовательского комплекса для экспериментов в космосе в области нано в общероссийском формате». Его руководителем и автором стал начальник научной лаборатории МИЭТ и ведущий конструктор «Протона» Борис Логинов.

После вывода на орбиту, аппарат будет с нанометровой точностью сканировать поверхность зеркала из золота, которая подвергается всему спектру воздействий открытого космоса. Снимки поверхностей будут передаваться по радиосвязи на Землю, чтобы специалисты могли оценить процессы разрушения материалов в условиях космоса.
«Благодаря этой разработке создана большая образовательная программа с встроенной в неё серьезной научно-исследовательской задачей. Ребята со всей страны в команде направления «Нанотехнологии» будут обрабатывать поступающие с микроскопа данные. Это первая в России попытка вместе со школьниками создать реальный массив big data для конкретной практической цели и выполнить распределенный анализ», − рассказал методист направления «Нанотехнологии» ОЦ «Сириус» Юрий Хрипунов.

Спутник разработан Орловским государственным университетом имени И. С. Тургенева совместно с АО «Завод ПРОТОН» (г. Зеленоград) и НИУ МИЭТ при поддержке Фонда содействия инновациям в рамках проекта Space-π программы «Дежурный по планете». Космический аппарат создан на основе спутниковой платформы компании «Спутникс» формата CubeSat 3U.
*Всероссийский конкурс научно-технологических проектов «Большие вызовы» – это масштабное мероприятие для старшеклассников и студентов, которые занимаются научной или исследовательской деятельностью. В этом году в конкурсе впервые могут принимать участие школьники из стран СНГ. В конкурсе принимают участие ученики школ и учреждений среднего профессионального образования уровня 7-11 классов.

https://sochisirius.ru/news/5830

— Расскажите, пожалуйста, о вашем втором спутнике в проекте Space-π.
— «Горизонт» (создаётся совместно с компанией «Геоскан») мы пока только готовим к запуску. Он запланирован на конец 2023 года. Для этого кубсата тоже провели конкурсный отбор полезных нагрузок, предложенных школьниками. Также выбрали проекты, связанные с приборотехникой, мехатроникой и системами управления, поскольку именно эти направления реализуются в нашем вузе. Например, установим модуль маховиков, который позволит ориентировать кубсат в пространстве и корректировать его местоположение на околоземной орбите.
— Каким образом?
— Модуль маховиков – небольшая коробочка с четырьмя двигателями, на валу каждого из которых есть маховичное колесо (грузик). Во время полёта спутника система датчиков сообщает нам, под каким углом кубсат находится относительно поверхности Земли. Если мы хотим изменить этот угол, то при помощи компьютерной имитационной модели рассчитываем усилие и запускаем часть двигателей. Таким образом можно будет решать любые задачи, требующие корректировки положения спутника в пространстве. Например, сделать фотографии под нужным углом или ориентировать на Солнце раскладывающиеся солнечные панели спутника так, чтобы их КПД был максимальным.
— Что еще предложили школьники?
— Как раз раскладывающиеся солнечные панели. Их у нас на спутнике две. Будем тестировать, насколько эффективно они работают под разными углами относительно Солнца, необходимо ли их раскрывать, или это избыточно. Возможно, для аналогичного эффекта достаточно покрыть весь корпус аппарата солнечными панелями. К тому же мы задумались о создании солнечного паруса, который позволит корректировать траекторию движения космического аппарата при воздействии на него солнечных лучей. Солнечные панели – первый шаг в его разработке.

Мастер-класс для школьников по основам спутникостроения
— То есть, проект «Горизонт» полностью посвящен навигации спутника?
— Не совсем так. Также там будет модуль исследования памяти.
Сейчас «Роскосмос» использует в спутниках однократно программируемую память, минус которой в том, что ПО аппарата не обновляется в процессе, и после принятия команды дорожки платы пережигаются – ничего изменить в алгоритме уже нельзя. При этом у однократно программируемой памяти есть весомый плюс – она радиационно стойкая, можно не беспокоиться о надёжности изделия.
— Чем принципиально будет отличаться ваша разработка?
— Мы разрабатываем электронную плату, на которой будут расположены три одинаковых модуля памяти с разной степенью физической защиты от радиации: первый модуль просто находится на плате, второй защищён, третий имеет повышенную защиту. При этом память в них будет находиться многократно программируемая и магниторезистивная. По предварительным данным, магниторезистивная память также может долго работать в условиях космического пространства, даже дольше, чем спутник обычно находится на орбите. Будем исследовать на практике, как часто будут происходить сбои в модулях, как модули поведут себя при воздействии прямых солнечных лучей, будем искусственно создавать помехи в электропитании. Обработанные данные планируем передать в «Роскосмос», а также разработчикам магниторезистивной памяти.
— Но вернёмся к школьникам. Помимо того, что они предложили очень оригинальные и новаторские идеи по оснащению спутников полезной нагрузкой, как ещё они участвуют в работе над проектами?
— В разработке полезной нагрузки и изготовлении спутников школьники не участвуют, эту работу ведут студенты Центра научно-технического творчества на базе «ВОЕНМЕХа». Но ребята вместе с нашими аспирантами и учёными в Центре управления полётами смогут выходить на связь с кубсатами, получать и передавать данные, работать в серии научно-образовательных экспериментов.
С февраля для школьников начинает работу онлайн-школа на базе Лекториума «ВОЕНМЕХа». Будут три часовые онлайн-лекции. В их разработке участвуют студенты и популяризаторы космонавтики: преподаватель Инженерно-космической школы при «ВОЕНМЕХе» Андрей Емельянов, выпускник нашего университета, космонавт Андрей Борисенко и другие. Расскажем о космонавтике, осветим техническую составляющую полезных нагрузок наших спутников в проекте Space-π. Каждая лекция завершится тестом. В зависимости от результатов запланированы поощрения для школьников.
— Как я понимаю, после окончания участия «ВОЕНМЕХа» в проекте Space-π работу со спутниками вы не закончите?
— Конечно, нет (смеётся). Сейчас наши студенты разрабатывают свой собственный малый космический аппарат – шестиюнитовый, не кубсат. Отрабатываем конструкцию, планируем испытания. В течение года будем отслеживать прогресс, проведём наземные эксперименты с разработками и отберём для нового запуска те изделия, которые будут наиболее жизнеспособными.

Этим летом ракета «Союз-2.1б» вывела на орбиту 16 малых спутников проекта «Space-π» программы «Дежурный по планете» Фонда содействия инновациям. Среди них был спутник «Геоскан-Эдельвейс» российской группы компаний «Геоскан», занимающейся разработкой и производством беспилотных летательных аппаратов и программного обеспечения для фотограмметрической обработки данных и трёхмерной визуализации.

(Прим. — Фотограмметрия определяет форму, размеры, положение и другие характеристики объектов по их фотоизображениям. С её помощью создаются карты и планы Земли, а также решаются прикладные задачи в архитектуре, строительстве, медицине и криминалистике)

С помощью спутника «Геоскан-Эдельвейс» компания проводит на орбите испытания спутниковой платформы «Геоскан 3U» и газовой двигательной установки стандарта CubeSat.

Также разработчики запустили общемировую интернет-акцию по сбору имён и отправили со спутником в космос 22 772 имени. Об этом и многом другом рассказал руководитель проекта образовательных малых космических аппаратов группы компаний «Геоскан», член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов.

В конце же сказал он: — А вот эдельвейс,
Царящий почти в облаках.
За ним был предпринят рискованный рейс,
И вот он в моих руках!

Э. Асадов

— Александр, вы были последним человеком, кто держал «Геоскан-Эдельвейс» в руках перед тем, как он полетел за облака, на орбиту. Как так получилось?

— Поскольку я руковожу и отделом, и проектом, я лично отвозил наш первый спутник «Геоскан-Эдельвейс» на Байконур и проводил его интеграцию в пусковой контейнер. Поэтому да, я был последним человеком, который держал его в руках на Земле, что, конечно, очень приятно. Особенно сейчас, когда он работает на орбите и присылает нам ежедневные сигналы.

— «Геоскан-Эдельвейс» стал первым частным спутником из Петербурга. Как и почему вы решились на этот запуск?

— Наша компания давно сотрудничает с Фондом содействия инновациям. Когда в 2021 году у Фонда стартовал масштабный образовательный проект «Space-π» по запуску в космос университетских кубсатов, мы за свой счёт разработали собственную спутниковую платформу «Геоскан 3U», для дальнейшего использования в образовательных целях. В рамках проекта «Space-π» 9 августа с космодрома Байконур наш спутник, сделанный на этой платформе, полетел на орбиту для получения лётной квалификации.

— С момента запуска уже прошло несколько месяцев. Как сейчас проходит взаимодействие со спутником?

— Каждый день наш оператор Кирилл проводит сеансы связи с ним, получая расширенную телеметрию (прим. — удалённые измерения и сбор информации), фотографии Земли, или напротив загружая на борт перепрошивки или полётные задания. У нас в компании есть ЦУП, который пока выглядит как компьютер с двумя мониторами и подключенной наземной станцией управления. На крыше стоит УКВ-антенна на поворотном механизме, а у выхода на крышу здания шкаф с электроникой. Есть вторая антенна, которую мы ласково называем «ведро», поскольку эта маленькая всенаправленная УКВ-антенна также расположена на крыше нашего офиса и закрыта от дождей красным пластиковым ведром. Она в резерве и обычно используется для нужд международной радиолюбительской спутниковой сети SatNOGS.

Кстати, на SatNOGS Dashboard каждый может посмотреть, что происходит с нашим спутником в космосе прямо сейчас. В целом состояние космического аппарата нас радует. Хотя после запуска мы обнаружили незначительные недочёты проектирования, поскольку из-за затянувшейся доработки наземного и бортового программного обеспечения мы выполнили не все тесты служебных систем и полезной нагрузки.

— И всё же почему «Эдельвейс»? Такое романтичное название!

— Наш проект во многом строился на открытости и интерактивности. В соцсетях компании «Геоскан» и Российского движения школьников мы провели конкурс на названия наших первых спутников. Цветок эдельвейс в качестве названия предложила школьница Анастасия Касьяненко. По её мнению условия жизни этого горного растения схожи с теми испытаниями, которым подвергается кубсат во время космического полёта. Стоит отметить, что название было выбрано не для первого спутника компании, а для одного из четырёх первых, но именно «Геоскан-Эдельвейс» полетел на орбиту.

— На этом интерактив, насколько я знаю, не закончился…

— Да. Наш спутник стал первым российским космическом аппаратом на котором установлена символическая полезная нагрузка — кремниевая пластина размером 10х15 мм. На нее методом ионно-лучевой литографии нанесены 22 772 имени. Любой человек из любой точки мира мог поучаствовать в акции через наш сайт абсолютно бесплатно.

Подобные публичные акции часто проводятся, например, НАСА, но в России мы стали первыми.

— Расскажите о процессе работы над спутником: как происходил выбор полезной нагрузки и целей запуска?

— Когда весной-летом 2021 года наша команда разработчиков начала работу над кубсатами «Геоскана», сначала мы сделали аппараты типоразмера 1U, потом переключились на более крупную платформу 3U. Мы взаимодействовали с Институтом ядерной физики МГУ, планируя включить в свой спутник различные приборы. Например, универсальный полупроводниковый спектрометр для мониторинговых измерений потоков заряженных частиц радиационных поясов Земли на низких околоземных орбитах.

Параллельно мы нашли технологических партнёров. Так компании «Элвис» из Москвы было интересно отправить на орбиту свой ГНСС-приёмник (ГНСС — глобальная навигационная спутниковая система), а ОКБ «Факел» из Калининграда нужно было испытать на орбите газовую двигательную установку (ГДУ) на сжатом азоте. И так получилось, что к моменту запуска, полезная нагрузка (ПН) для технологических экспериментов была на финальной стадии изготовления, а научная нет. Итоговый проект нашего первого малого космического аппарата «Геоскан-Эдельвейс» включал в себе две ПН: ГДУ и ГНСС-приёмник. Небольшим дополнением шла простая маленькая технологическая камера — не хотелось лететь в космос без возможности делать фотографии Земли.

— Вот эта ГДУ от калининградских разработчиков даёт возможность наноспутникам переходить на более низкие орбиты. Проводились ли уже испытания?

— Мы оставили работу с двигательной установкой на конец активных лётных испытаний. Опасаемся нештатных ситуаций, поскольку это будет первое включение подобного двигателя в космосе.

— Какие испытания уже удалось провести?

— Мы проверили все платы своей разработки, собственные солнечные панели, работоспособность ГНСС-приёмника, получили телеметрию (прим. — удаленные измерения) с ГДУ, постоянно фотографируем Землю. На сегодняшний день нам осталось протестировать передачу данных в Х-диапазоне (прим. — диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых в радиолокации, наземной и спутниковой радиосвязи), проверить ориентацию с помощью одного экспериментального маховика, и испытать двигательную установку в работе.

— Что потом?

— Нам нужно завершить активные лётные испытания. Дальше до конца службы кубсата остаются три цели: ресурсные испытания (посмотрим, сколько он поработает в условиях космического полёта), взаимодействие с радиолюбителями (мы рассылаем QSL-карточки (прим. — документальное подтверждение факта проведения сеанса радиосвязи) людям, принявшим наш радиомаяк) и образовательная деятельность. Работа со спутником ляжет в основу методик по обучению школьников космонавтике.

— Кстати, о школьниках. На примере аппарата «Геоскан-Эдельвейс» вы планировали познакомить школьников и студентов с основами спутникостроения. Удалось ли реализовать эту задачу?

— Основные силы нашей маленькой «космической» команды уходят на проектирование кубсатов и управление первым спутником. Наша главная цель — делать космические аппараты для университетов, а уже их задачи это научная и образовательная деятельность, в том числе со школьниками. Но образовательные задачи мы тоже выполняем, пусть пока в небольшом объёме.

Пока это мои научно-популярные лекции для школьников. Также мы брали ребят на практику, но по одному, чтобы у нас хватало времени на обучение. Весной этого года у нас стажировался Владимир Серёжин, ученик академического лицея «Физико-техническая школа» им. Ж.И. Алфёрова. Мы даже взяли его с собой на Байконур на запуск «Геоскан-Эдельвейса». Также в августе из Новосибирска прилетел школьник Глеб Клюев, участник проекта «Space-π. Открытый космос 2.0» и программы «Дежурный по планете». Он две недели был на практике в нашем отделе.

— А сейчас что-то делается для школьников, для студентов?

— Прямо сейчас у нас нет стажёров, зимой ждём к нам Варвару Морозову из Москвы, победительницу конкурсов «Space-π. Открытый космос 2.0 и 3.0». Школьники приходят на экскурсии в «Геоскан», и мы рассказываем им о спутнике, делимся ссылками, где можно почитать дополнительную информацию о кубсатах и проекте Space-π. Деятельность в этом направлении будет расширяться. Сейчас постепенно подключается образовательный отдел «Геоскана». Также в компании уже создано студенческое конструкторское бюро. Его участники сделали первое полезное для нас изделие — механизм для заливки силиконом солнечных панелей для кубсата в вакууме.

— Будет ли «Геоскан» ещё запускать подобные спутники?

— Мысли о собственной спутниковой группировке есть, но предстоит ещё много работы, прежде чем появится какая-то конкретика. Следующие четыре кубсата мы делаем не для себя, а для заказчиков от проекта Space-π: СтратоСат-ТК1 — для компании «Стратонавтика»; RTU MIREA — для Российского технологического университета (МИРЭА); TUSUR-GO — для Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники; «Горизонт» — для БГТУ «Военмех» им. Д.Ф. Устинова.

Беседовала студентка 1 курса бакалавриата Высшей школы журналистики и массовых коммуникаций СПбГУ Анастасия Сеначина.

https://forum.novosti-kosmonavtiki.ru/index.php?topic=9690.1...

https://youtu.be/NTbfF_17IoM