Яким чином запускають супутники

Які бувають супутники, як їх запускають на орбіту і чим займаються у космосі? Про це у новому випуску LessON розповідає Дмитро Абрамешин – керівник центру управління польотами навчально-дослідницької лабораторії функціональної безпеки космічних апаратів та систем (УІЛ ФБКАіС).

Лабораторія ФБКАіС працює на базі МІЕМ НДУ ВШЕ. Вона займається створенням, випробуванням та керуванням польотами малих космічних апаратів - у тому числі супутників Вишки CubeSX-HSE.

Політика конфіденційності Угода на обробку персональних даних Погляди та думки авторів статей не є офіційною позицією НДУ ВШЕ і можуть не співпадати з нею

Політика конфіденційності Угода на обробку персональних даних Погляди та думки авторів статей не є офіційною позицією НДУ ВШЕ і можуть не співпадати з нею

Процес запуску супутника та виведення на орбіту землі

Запуск супутника в космос ознаменувався новою ерою і став проривом у галузі техніки та космонавтики. Необхідність створення супутника визначилася ще на початку ХХ століття. Однак із самого початку на шляху запуску супутника в космічний простір стояло безліч проблем, над якими працювали найкращі інженери та вчені. Ці проблеми були пов'язані з необхідністю створення двигунів, здатних працювати в найважчих умовах і при цьому вони повинні бути надзвичайно потужними. Також проблеми пов'язані з правильним визначенням траєкторії руху супутника.

Отже, радянські вчені вирішили поставлені завдання, і 4 жовтня 1957 року в СРСР успішно запустили штучний супутник, за рухом якого спостерігав увесь світ.Ця подія стала світовим проривом і позначила новий етап, як у науці загалом, і у всьому світі.

Супутник на орбіті землі

Пряма трансляція запуску Союз-Прогрес (місія до МКС)

Завдання, які вирішує супутник

Завдання, що вирішуються запуском супутника, можна визначити як наступні:

Всім відомо, який вплив клімат має на сільське господарство, на військову інфраструктуру. Завдяки супутникам можна передбачити появу стихій, що руйнують, уникнути великої кількості жертв.

2. Вивчення метеоритів;

У космічному просторі знаходиться величезна кількість метеоритів, вага яких сягає кількох тисяч тонн. Метеорити можуть становити небезпеку не тільки для супутників, космічних кораблів, а й для людей. Якщо при прольоті метеорита сила тертя невелика, то незгоріла частина здатна досягти Землі. Діапазон швидкості метеоритів досягає від 1220 м/с до 61000 м/с.

3. Застосування телевізійного мовлення;

Нині роль телебачення велика. У 1962 році був запущений перший телевізійний транслятор, завдяки якому світ уперше побачив відеокадри через Атлантику протягом кількох хвилин.

Система GPS відіграє величезну роль майже у кожній сфері нашого життя. GPS поділяється на цивільну та військову. Вона є електромагнітними сигналами, що випромінюються в радіохвильовій ділянці спектра антеною, встановленої на кожному з супутників. Складається з 24 супутників, які знаходяться на місці орбіти на висоті 20 200 км. Час навернення навколо Землі становить 12 годин.

Телекомунікаційний супутник "Арабсат-5Б"

Запуск супутників та вихід їх на орбіту

Для початку важливо позначити траєкторію польоту супутника.На перший погляд, здається, що логічніше запустити ракету перпендикулярно (по найкоротшій відстані до мети), однак такий вид запуску виявляється невигідним, як з інженерної точки зору, так і з економічної. На супутник, запущений вертикально діють сили тяжіння Землі, які значно зносять її від призначеної траєкторії, і сила тяги стає рівною силі тяжіння Землі.

Щоб уникнути падіння супутника, спочатку його запускають вертикально, щоб він зміг подолати пружні шари атмосфери, такий політ триває протягом всього 20 км. Далі супутник за допомогою автопілота нахиляється і горизонтальному напрямку рухається до орбіти.

Крім того, завдання інженерів полягає в тому, щоб розрахувати траєкторію польоту таким чином, щоб швидкість, що витрачається на подолання атмосферних шарів, а також витрату палива становили лише кілька відсотків від характеристичної швидкості.

Траєкторія виходу ракети-носія до орбіти

Важливим є й те, у який бік запустити супутник. При запуску ракети у бік обертання Землі відбувається збільшення швидкості, яке залежить від розташування запуску. Наприклад, в екваторі воно є максимальним і становить 403 м/с.

Орбіти супутників бувають круговими та еліптичними. Еліптична орбіта буде в тому випадку, якщо швидкість ракети буде вищою за окружну. Крапка, що у найближчому становищі називається перигеєм, а найбільш віддалена апогеєм.

Сам запуск ракети з супутником проводиться у кілька щаблів. При припиненні роботи двигуна першого ступеня, кут нахилу ракета-носія становитиме 45 градусів, на висоті 58 км, потім виробляється її відділення.У роботу включаються двигуни другого ступеня, зі зростанням кута нахилу. Далі, другий щабель відокремлюється на висоті 225 км. Потім ракета за інерцією досягає висоти 480 км і опиняється в точці, що знаходиться на відстані 1125 км від старту. Потім починає працювати двигуни третього ступеня.

Ракета-носій зі сходами

Повернення супутника на землю

Повернення супутника Землю супроводжується деякими проблемами, пов'язані з гальмуванням. Гальмування може здійснюватися двома способами:

1. Завдяки опору атмосфери. Швидкість супутника, що увійшов у верхні шари атмосфери, зменшуватиметься, але через аеродинамічні форми підскочить рикошетом назад у космічний простір. Після цього супутник зменшить свою швидкість і увійде глибше в атмосферу. Так повториться кілька разів. Після зниження швидкості супутник здійснюватиме спуск за допомогою висувних крил.
2. Автоматичний ракетний двигун. Ракетний двигун повинен бути спрямований у бік протилежного руху штучного супутника. Плюс цього способу полягає в тому, що швидкість гальмування можна регулювати.

Висновок

Отже, супутники всього за півстоліття увійшли до життя людини. Їхня участь допомагає досліджувати нові космічні простори. Супутник як засіб безперебійного зв'язку допомагає зробити зручним повсякденне життя людей. Прокладаючи шлях у космічні простори, вони допомагають зробити наше життя таким, яким воно є зараз.

Як запускають супутники в космос: розробка «Лелека-2Д» від першої особи

«У 2013 році я навчався на старших курсах у Самарському університеті і вже мав чималі знання в галузі космосу та досвід програмування — створював спільні проекти з викладачами, а також внутрішні продукти вишу. Я знав, що здатний на більше, і мені хотілося працювати над чимось справді визначним. Тоді вирішив застосувати свої навички та досвід у прикладній науці». Розробник VTB Владислав Авдєєв розповів про те, як влаштовано розробку супутника в команді та які скіли цінуються при реалізації подібних завдань.

Читайте «Хайтек» у

Я пройшов співбесіду до лабораторії космічного приладобудування на базі університету та приєднався до команди розробки супутників та наукової супутникової апаратури як інженер-програміст. Одним із моїх перших завдань у команді була робота з великими даними (телеметрія), які ми отримували від раніше запущеного в 2013 році експериментального супутника «Лелека-1». Метою пристрою було відпрацювання систем зв'язку та управління, а також дослідження мікрогравітації та магнітного поля Землі. До початку моєї роботи лабораторія отримувала тонни інформації у вигляді зашифрованих бінарних файлів, і лише мала її частина оброблялася вручну та використовувалася у наукових дослідженнях та статтях.

Трансляція даних із супутника «Лелека-1». Верхня частина – послідовність байтів телеметричного пакету Насамперед мені потрібно було створити алгоритми дешифрації, які далі дозволили замість купи зашифрованих байтів отримати корисні дані про стан супутника та вимірювання з бортової апаратури: положення, швидкість, кутові обертання апарату, магнітне поле, час вимірів, їх тривалість, та десятки інших показників разом з службовою інформацією.Наступним етапом стала розробка алгоритмів відновлення отриманих даних, оскільки через нестабільний зв'язок у моменти виходу супутника із зони прийому частина записів пошкоджується при передачі. дані, щоб обчислити та відновити значення «битих». Не завжди відновлення можливе, але розроблені мною алгоритми дозволяють виправити в середньому. 75–90% пошкодженої інформації. Фінальним етапом стала розробка програмного забезпечення для автоматизації обробки та аналізу вже якісних даних з подальшим отриманням наукових результатів. «Лелека-1».

Моє робоче місце. На фото – процес програмування та налагодження прототипів датчикової апаратури. З цього моменту розробка ПЗ для роботи з даними стала одним з основних напрямків моєї роботи. Я створював алгоритми дешифрації, відновлення даних і все більше занурювався в специфіку роботи з космосом. бортової апаратури та датчиків, брав участь у написанні прошивок мовами програмування низького рівня (firmware).

Команда розробки

• Мас-спектрометр "ДМС-01" для аналізу залишкової атмосфери на орбіті супутника.
• Датчик «ДЧ-01» для вивчення деградації поверхневих елементів та електроніки (мікросхеми, антени, мікроконтролери) під впливом потоків мікрочастинок, ультрафіолету та радіації.
• Компенсатор мікроприскорень «КМУ-1» для управління обертальним рухом супутника та його орієнтацією у просторі магнітного поля Землі. Це модифікація відпрацьованої на «Лелека-1» системи.
• «Метеор-М» для дослідження параметрів мікрометеороїдів та частинок космічного сміття: розміру, ваги, швидкості (є публікація з моєю участю про отримані дослідження за допомогою розробленого мною ПЗ).

Старт проекту, як і скрізь, починається із узгодження питань фінансування, технічних деталей, підготовки документації та розподілу ролей.

Наша команда складалася з 30 висококласних фахівців, серед яких були професори, доценти та аспіранти.

• Завдання конструктора - проектування корпусних елементів та контроль їх виготовлення, розрахунок теплових параметрів та внутрішньомодульний cable-менеджмент.
• Розробники ПЗ працюють над firmware-прошивками, пакетами наземного ПЗ для дешифрування та обробки телеметрії та ПЗ для автотестування апаратної частини.
• Радіоелектронники проектують блоки електроніки, проводять програмне моделювання, займаються трасуванням друкованих плат та помодульним апаратним тестуванням після виконання складання.
• Інженери займаються збиранням прототипів та «льотних екземплярів» обладнання, налагоджують техпроцеси, а також розробляють та тестують firmware-прошивки.
• Фахівці (інженери) з підготовки документації складають та узгодять ТЗ, займаються здебільшого бюрократичних моментів.

Незважаючи на такий розподіл, кожен член команди має багатий бекграунд у суміжних областях. Найчастіше один фахівець може виконувати завдання іншого.Розробник завжди знає апаратну частину, під яку пише код, а радіоелектронник працює з урахуванням конструктивних особливостей кожного окремого модуля.

У моєму випадку це була не тільки розробка software та firmware, а й окремих електронних модулів зі збиранням та апаратним тестуванням. Команда відносно невелика, і кожному її члену важливо як мінімум добре розуміти всі етапи роботи над проектом, а як максимум бути здатним виконати термінову роботу в суміжному напрямку.

Процес збирання першого прототипу одного з модулів бортової наукової апаратури. Після налагодження та на його основі далі будуть виготовлені льотні екземпляри

Це швидше навіть потреба, ніж особливість, яка добре демонструє рівень підготовки кожного працівника. З цієї ж причини ми не мали щоденних планерок у звичному розумінні — кожен знав, хто чим займається і які завдання виконуватиме завтра і через тиждень.

Команда збиралася лише за необхідністю для спільного вирішення проблем. Наприклад, були моменти, коли конструктивні особливості блоку апаратури заважають належним чином спроектувати набір друкованих плат для монтажу всередині нього або є відставання по якомусь фронту робіт і потрібно розподілити ресурси. Тоді шукаються допустимі компроміси.

Team management в даному випадку — не просто слова: робота кожного співробітника залежить від усієї команди і, навпаки, ефективність команди — результат індивідуального вкладу кожного її співробітника.

Звичайно ж, були і рутина, і заповнення документів, але в цій роботі ти завжди дізнаєшся про щось нове в суміжних областях і ділишся досвідом із колегами: простору для творчості та розвитку вистачало всім!

Складання супутника

Складання супутника «Лелека-2Д» відбувалося на майданчику АТ РКЦ «Прогрес».

Компанія, як виробник ракетоносіїв, насамперед відповідала за виведення супутників на орбіту (так, одночасно виводилися ще два супутники). І якщо корпус і зовнішній вигляд пристрою – спільна розробка відповідно до бортової «начинки», то саме наповнення – вже повністю наша зона відповідальності.

У процесі розробки нерідко виникають проблеми, котрий іноді невдачі. Це не конвеєрний процес і супутники не штампуються за заздалегідь налагодженими технічними процесами. Кожен проект унікальний.

Бувало, прототип апаратури не проходить у ліміти енергоспоживання (вимоги до автономності для супутників дуже високі), тоді доводиться відкочуватись на крок назад та робити перепроектування та оптимізацію. Іноді firmware-прошивка недостатньо продуктивна та апаратна частина працює з неприпустимим лагом – знову крок назад та оптимізація. Зазвичай більшість подібних проблем виявляється і вирішується ще на етапі створення та налагодження прототипів.

Тим часом у космос відправляється одразу два «літні» екземпляри бортової електроніки: основний і дублюючий-резервний. Це вимога надійності. І в цілому технічні вимоги для таких складних та специфічних пристроїв дуже високі.

Була нагода, коли на передпольотних випробуваннях комплект апаратури не запустився з першого разу. Ситуація напружена, адже апаратура ретельно перевірялася. Під час огляду відразу ж помічаємо – після модульного тестування не змінили комплект з'єднувальних кабелів із тестового на «льотний».Вони однакові зовні, але в тестовому немає кількох сигнальних ліній для можливості тестування в помодульному режимі, а не всього комплекту апаратури одночасно. Комплект кабелів перемикається - і вона запустилася в штатному режимі. Своєрідний позаплановий тест апаратури та перевірка міцності нервів пройдено.

Як не дивно, із виведенням супутника на орбіту робота не закінчується. Все, що було до, — швидше, підготовка до основної роботи: проведення досліджень та експериментів у космосі, збирання та отримання інформації з її подальшою інтерпретацією та документуванням у наукових звітах та публікаціях.

На стартовому майданчику в день запуску від команди розробників, як правило, є кілька людей. Решта команди готується до встановлення першого сеансу зв'язку із супутником або на той час вже займається новими розробками.

«Лелека-2Д» із встановленою на борт науковою апаратурою готується до проведення серії передпольотних випробувань

Системи стартового майданчика та ракетоносія ретельно проходять регламентні тести перед пуском. Спостерігачі та знімальні групи займають місце у захищеному укритті. Коли починається зворотний відлік, це завжди хвилюючий момент для всієї команди. Зітхнути з полегшенням вдається тільки після першого Окей від супутників з орбіти.

Участь у роботі над таким проектом є неймовірним досвідом. Прямо зараз «Лелека-2Д» летить зі швидкістю понад 7,5 км/с своєю орбітою і продовжує надсилати цінні дані, зібрані зі встановленої на борту наукової апаратури. Успіх проекту та його вплив на вивчення космосу та наукову спільноту складно переоцінити: за інформацією від «лелек» вже написано низку наукових праць, що використовуються для:

• Створення міцніших обшивок, наприклад, для МКС.
• Визначення ризиків зіткнення космічних об'єктів із частинками високої маси та швидкості, а також класифікації частинок.
• Відпрацювання та створення ефективніших безпаливних (магнітних) систем управління, адже дозаправка космічних об'єктів — неймовірно дорога та складна операція.
• Створення більш захищеної та придатної до експлуатації в космосі електроніки через такі фактори, як радіація, ультрафіолет, температурні перепади, підвищена електризація обшивки та зовнішніх корпусних пристроїв.

Зроблена робота — ще один важливий крок на шляху до освоєння космосу і пошуку відповідей на цілу низку наукових питань про навколишній космічний простір. Я відчуваю гордість, знаючи, що став частиною видатного проекту, що вийшов за межі нашої планети.

Читати далі: