Drei Jahre des Mikrosatellitenprojekts Mond: Reifungsstadien



    Vor drei Jahren schlug ich vor, eine Raumsonde für den Start zum Mond zu entwickeln und die Landeplätze von Apollo und Lunokhod mit ausreichender Qualität zu fotografieren, um die dort vor einem halben Jahrhundert zurückgelassenen Spuren zu unterscheiden. Eine Gruppe begeisterter Ingenieure meldete sich freiwillig, um an dem Projekt teilzunehmen und sich dieser Aufgabe zu widmen. Die erste Entwicklungsstufe - eine technische Beschreibung des Satelliten (avanproekt) - dauerte drei Jahre und ist noch nicht abgeschlossen.

    Für die erste Phase habe ich eine Spendenaktion auf der Website boomstarter.ru angekündigt . Wir wurden von anderthalbtausend Menschen unterstützt, und die Gesamtsumme betrug 1 Million 750 Tausend Rubel. In dem Projekt werden alle Arbeiten auf freiwilliger Basis durchgeführt, ein Teil der Spendengelder floss in die Anschaffung von Ausrüstung und Komponenten für die Entwicklung von Prototypen eines Funkkommunikationssystems und von Laserkommunikation. Wir haben den Großteil des Betrags zurückgezahlt, um die staatliche Expertise des vorbereiteten Projekts am Roskosmos Institute zu bezahlen. Wenn die Mittel nach der Prüfung verbleiben, werden wir sie entsprechend dem Beitrag zur gemeinsamen Sache, dh zum Text des Abschlussdokuments, auf die Teilnehmer der Entwicklung aufteilen.

    Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen zum Projekt.


    Die Aufgabe des Teams bestand nicht nur darin, eine technische Beschreibung des Projekts zu erstellen, sondern es auch den Dokumentationsanforderungen der russischen Raumfahrtindustrie anzupassen. Die Vorbereitung eines solchen Vorhabens auf einem kleinen Raumfahrzeug hätte ungefähr eine Million Rubel gekostet, und die spezialisierten Organisationen hätten es in ein paar Monaten für uns erledigt, aber wir würden nicht irgendein Designbüro Geld geben, das gewünschte Dokument erhalten und es ins Regal stellen. Ziel war es, eine Gruppe von Spezialisten zu bilden, die sowohl ein Vorprojekt als auch einen Photosatelliten zusammenstellen und das gesamte Flugprogramm implementieren können.

    Dies ist zum Teil der Grund für die Verzögerung. Nicht alle Enthusiasten waren bereit, in einem Team zu arbeiten, nicht alle sind in der Lage, die Ergebnisse ihrer Arbeit in ein seriöses Konstruktionsdokument umzusetzen, und nicht jeder war in der Lage, Freiwilligenarbeit mit Familie / Studium / Arbeit zu kombinieren. Ich sehe den Hauptfehler in den Verzögerungen an mir selbst - ich habe nicht die richtige Genauigkeit und Ausdauer gezeigt, ich war nicht vom persönlichen Beispiel inspiriert.

    Heute wird weiter an der Teambildung gearbeitet, und das Dokument wird langsam aber sicher vorbereitet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Nichteinhaltung der Fristen in der Raumfahrtindustrie ein übliches Phänomen ist.



    Sie können dies an unserem eigenen Beispiel ausführlicher besprechen.

    Wie komplex ist das Erstellen von Raumfahrzeugen? Warum nicht einfach einen Designer kaufen und zusammenbauen? Warum halten fast alle Weltraumprojekte, die sich auf die Entwicklung neuer Technologien beziehen, den vorgeschlagenen Terminen nicht stand? Schließlich haben alle Raumsonden nur ein Set von Bordsystemen, und der Raum scheint überall gleich zu sein - Vakuum, Strahlung, Sonnenlicht ... Es ist seltsam, dass in Weltraumprogrammen nicht alles wie in einem PC vereinheitlicht ist, so dass Sie es selbst zu Hause oder im Haus tun können Garage zur Montage Ihres eigenen Satelliten. In Wirklichkeit ist jedoch fast jedes Raumfahrzeug handgefertigt, verdrillte Drähte und Scotch-Drähte, ein kreativer Ansatz und oft selbst geschriebene Software.



    Nur in einigen Projekten mit mehreren Satelliten wurde ein Vorproduktionsniveau erreicht: GPS, GLONASS, geostationäre Telekommunikationssatelliten und einige andere Projekte.

    Nanosatelliten des CubeSat-Formats sind aufgrund ihrer geringen Kosten, Standardabmessungen und Beliebtheit unter Instituten und privaten Unternehmen mehr oder weniger einheitlich.

    Warum unterscheiden sich Satelliten überall?

    Im Vergleich zu PCs ist der erste Unterschied zur Astronautik die Größe der Serie. Alle Raumflugzeuge in erdnahen Umlaufbahnen sind etwa eineinhalbtausend. So viele Computer befinden sich in einer städtischen Nachbarschaft.

    Zweiter Unterschied- der Unterschied der physischen Bedingungen in verschiedenen Bahnen. In einer niedrigen Umlaufbahn der Erde befinden sich Satelliten etwa 40-45% der Zeit im Schatten der Erde. Das bedeutet, dass sie die überschüssige Wärme der Sonne und der Erwärmung der Bordsysteme einfach loswerden können. Das Gerät im geostationären Orbit oder im interplanetaren Flug ist fast zu 100% bedeckt, und die Wärmefreisetzung ist ein großes Problem - dies macht das System zur Sicherstellung des Wärmeregimes kompliziert, vergrößert die Größe der Kühler und die Masse. Daher ist es unmöglich, den Entwurf des erdnahen Satelliten einfach auf den Mond zu richten.

    Bei einem Mondsatelliten verdoppelt sich die thermische Komplexität: Zuerst muss man bei konstantem Sonnenlicht fliegen und dann um den Mond fliegen, wobei der Mond allmählich abnimmt. Je niedriger - desto länger ist der Schattenbereich. Und wir sind noch nicht zu thermischen Berechnungen gekommen, bis wir die Beschreibung des grundlegenden Designs und der Zusammensetzung der Instrumente abgeschlossen haben.

    In einer niedrigen Umlaufbahn der Erde können Satelliten ein Magnetfeld zur Orientierung verwenden - ihre Position im Weltraum relativ zum Massenmittelpunkt ändern (mit anderen Worten, ein Satellit kann auswählen, wo er mit Solarbatterien „schauen“ oder umdrehen soll, wobei dieselbe Kraft verwendet wird, die die Kompassnadel ablenkt). Das heißt, erdnahe Satelliten mit geringer Umlaufbahn sind nicht unbedingt Treibstoff- und Raketentriebwerke - es gibt genügend Solarbatterien, um Schwungradmotoren und Magnetspulen anzutreiben, um effektiv arbeiten und Vorteile bringen zu können. Wo das Magnetfeld geschwächt ist oder ganz fehlt, benötigt die Vorrichtung Raketentriebwerke, um Kurven zu machen. Wenn Sie einfach einen erdnahen Satelliten nehmen und zum Mond starten, wird er zu einem nutzlosen Quietscher und kann nur einen endlosen "Piep-Piep-Piep" in alle Richtungen senden. was im Funkrauschen des Kosmos schnell verloren geht. Im besten Fall kann es entlang einer Achse gedreht und für eine Flugmission verwendet werden, ohne in den Orbit zu gehen.

    Der kosmische Strahlungsfaktor ist ebenfalls wichtig - bei einer niedrigen Umlaufbahn sind Satelliten durch die Erdhalbkugel, das Magnetfeld und die oberen Schichten der Atmosphäre erheblich vor den Auswirkungen kosmischer Partikel geschützt. Verwendung Elektronik jedoch, wie die Praxis zeigt, Industrie moderner Erde der Lage bis zu einem Jahr im interplanetarischen Raum zu arbeiten.

    Der dritte Unterschied zwischen den Geräten besteht in der Notwendigkeit, den Orbit zu ändern. In der Regel müssen kleine erdnahe Satelliten die Umlaufbahn nicht ändern, auf der sie gestartet wurden. In extremen Fällen können Sie aerodynamische Techniken verwenden, da sie ursprünglich sind.entschied sich in der Gesellschaft von Planet. Für Satelliten in hohen Umlaufbahnen ist aufgrund der Flugdauer bereits eine Korrektur der Umlaufbahn erforderlich, und im Laufe der Zeit beginnen sich störende Faktoren zu akkumulieren: der Druck des Sonnenlichts, die Schwerkraft der Sonne, der Mond, der Jupiter und die Venus. Die Umlaufbahnkorrektur ist eine kleine Änderung der Umlaufbahn, indem die Fluggeschwindigkeit erhöht oder verringert wird.

    Da das Gerät startet, fliegt es

    Das Design des interplanetaren Raumfahrzeugs hängt stark von den Startfähigkeiten beim Start ab. Wenn es eine ausreichend genaue Beschleunigungseinheit gibt, die in der Lage ist, die interplanetare Sonde sofort mit der gewünschten Flugbahn und der zweiten Raumgeschwindigkeit zu spezifizieren, wird auf der Vorrichtung selbst viel Kraftstoff eingespart. Wenn keine geeignete Beschleunigungseinheit vorhanden ist oder die Raketentragfähigkeit dafür nicht ausreicht, muss mehr in die Vorrichtung eingefüllt werden. Aber selbst wenn der Propeller helfen würde, müsste das Ziel die interplanetare Geschwindigkeit erneut deutlich reduzieren. Im Falle des Fluges zum Mond müssen etwa 850 m / s zurückgesetzt werden, um in die Umlaufbahn zu gelangen. Stellen Sie sich eine Rakete vor, die in der Lage ist, 100 kg Ladung auf die Geschwindigkeit des schnellsten Düsenflugzeugs zu beschleunigen - es gibt nicht genug Feuerlöscher wie in den Filmen.

    Beim Entwurf eines Mond-Mikrosatelliten haben wir zwei Optionen für den Start in Betracht gezogen: Übergabe des Starts in eine geostationäre Umlaufbahn und Start in eine Mondübergangs-Umlaufbahn.
    Geostationär ist eine beliebte Umlaufbahn, auf der jedes Jahr 15-20 Raketen fliegen. Das ist eine großartige Wahl und viele Möglichkeiten zum Durchfliegen. Das sind aber nur 36.000 km, und der Mond muss zehnmal mehr geflogen werden.
    Die Umlaufbahn des Mondübergangs ist der Start in Richtung des Mondes mit fast der zweiten kosmischen Geschwindigkeit. Diese Starts finden etwa einmal im Jahr statt. China, Indien, Japan, Russland, Südkorea starten den Mond, oder sie stehen kurz vor dem Start, und es besteht die Chance, dass jemandem zum "Schwanz" springt. Komplexe wissenschaftliche Starts werden jedoch ständig übertragen, sodass Sie sich auf einen gemeinsamen Flug einigen können, einen Satelliten bauen und mehrere Jahre auf die Hauptlast warten können. Die ideale Option ist, unser Gerät sofort auf eine nahe Mondbahn zu bringen - wir halten es nicht für die geringe Wahrscheinlichkeit, eine geeignete "Fahrt" zu finden.

    Zwei Startoptionen erfordern zwei verschiedene Antriebssysteme mit unterschiedlichen Kraftstoffreserven. Die Startmasse der beiden Varianten der Geräte unterschied sich um die Hälfte, und die "geostationäre" Version betrug fast 200 kg - dies ist kein Mikrosatellit mehr. Motoren wurden als Hydrazin-Zweikomponenten (Hydrazin / Stickstofftetraoxid) als die effektivste Chemikalie für den Einsatz im Weltraum betrachtet. Ionen- und Plasmamaschinen wurden aufgrund der hohen Kosten, der großen Abmessungen von Solarbatterien und der Schwierigkeiten bei der Steuerung und Navigation nicht berücksichtigt.

    Das Ergebnis war ein ziemlich komplizierter Apparat, der mit dem vergleichbar ist, was in der KB der Staatsunternehmen entstanden sein könnte.




    Unterschiede in den Umlaufbahnen führen zu einem anderen Unterschied - in der Art der Informationsübertragung. Trotz wiederholter Experimente mit der Laserkommunikation im Weltraum bleibt die Funkkommunikation die Hauptmethode der Informationsübertragung in der Astronautik. Je näher sich das Gerät der Erde befindet, desto geringer sind der Funkkomplex, der Energieverbrauch und die Antennengröße. Daher kann der kleine erdnahe CubeSat problemlos Telemetrie und sogar Fotos an Bodenplatten übertragen, die eine sehr kleine Fläche von Solarzellen und eine Rundstrahlantenne von einem Tischler-Roulette aufweisen.



    Wenn wir am Mond arbeiten und große Datenmengen übertragen möchten, müssen wir uns auf eine Richtantenne mit einem Durchmesser von mindestens einem halben Meter und Solarpanels mit einer Fläche von etwa einem Meter konzentrieren. Der Empfang auf der Erde wird nicht in der Lage sein, den Draht von den Lüftungsöffnungen zu versorgen - ernsthafte Stationen benötigen Antennen mit einem Durchmesser von mehreren Metern, vorzugsweise mehreren zehn Metern. Es gibt wenige solcher Stationen in Russland, es gibt Dutzende auf der Welt, und alle sind mit ihrer Arbeit beschäftigt. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass uns 64-Meter- oder 32-Meter-Antennen zugewiesen werden.

    Zumindest kannst du dich nicht darauf verlassen. Sie können an bodengestützten Einrichtungen sparen, indem Sie den Durchmesser der Antenne am Gerät erhöhen. Alle 10 cm des Antennendurchmessers oder der Spannweite der Solarbatterien des Satelliten wirken sich jedoch erheblich auf seine Massenträgheitseigenschaften aus und erfordern mehr Kraftstoff und Energieverbrauch für Orientierungssysteme. Der Energiebedarf erhöht die Solarbatterien, die Masse der Batterien, was zu einer Zunahme der Masse und zum Wachstum von Kraftstofftanks führt - und so weiter bis ins Unendliche ... Daher ist die Entwicklung der Weltraumtechnologie ein ewiger Kompromiss.



    Um Masse zu sparen, haben wir den Antennendurchmesser auf 40 Zentimeter begrenzt, in der Hoffnung, dass wir zum Zeitpunkt des Starts eine 12-Meter- oder sogar mehr Empfangsantenne auf der Erde finden werden. Und besser drei auf verschiedenen Kontinenten. Wenn wir es nicht finden, müssen wir Daten mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit übertragen: Dutzende Kilobits pro Sekunde, aber der Empfang steht den Schinken zur Verfügung.

    Richtige Ausrichtung

    Orientierung im Raum - das nächste Problem. Die Erde kann ein Magnetfeld, Aerodynamik oder andere Techniken verwenden. Raketentriebwerke bleiben im interplanetaren Raum, aber es gibt ein weiteres Werkzeug, das eine hochpräzise Orientierung bietet und es Ihnen ermöglicht, die Position des Geräts relativ zu seinem Schwerpunkt - Schwungradmotoren - effektiv zu steuern. Hierbei handelt es sich um Elektromotoren mit massiven Rädern, die drehend zur Drehung der Vorrichtung in entgegengesetzter Richtung beitragen. Für die dreiachsige Ausrichtung werden drei Schwungradmotoren benötigt, aber normalerweise werden vier installiert - einer für die Reserve.



    Schwungradmotoren benötigen für die Arbeit nur Elektrizität, sie funktionieren jedoch nur, wenn sie an Geschwindigkeit gewinnen oder abgeschreckt werden. Irgendwann nimmt das Schwungrad die Höchstgeschwindigkeit auf und wird unbrauchbar, dann muss es "entladen" werden, verlangsamt werden, damit das Gerät seine Orientierung im Raum nicht verliert. Dann werden Raketenmotoren zum Entladen verwendet, und dies sollten Motoren mit sehr geringer Belastung sein, um keine starke Drehung des Fahrzeugs zu verursachen. Manchmal werden die Raketentriebwerke des Orientierungssystems mit Gas betrieben - bei normalem komprimiertem Gas, genau wie bei einem Feuerlöscher aus dem Kino, gibt es andere Konstruktionen: thermische Katalyse oder elektrische Rakete (Plasma, ionisch).

    Unser permanenter Designer des Mondmikrosatelliten, Peter Kudryashov, hat sich zum Ziel gesetzt, die Masse des Apparats maximal zu reduzieren. Zu diesem Zweck entschlossen sie sich bei der letzten Iteration des Projekts, die Flucht aus der geostationären Umlaufbahn aufzugeben und erst am Mondübergang zu stoppen. Eine andere Lösung war der Austausch von Motoren. Das Zwei-Komponenten-Antriebssystem hat eine hohe Leistung und ist nicht zum Entladen von Schwungrädern geeignet, sodass der Satellit zur Orientierung ein zweites Antriebssystem benötigte. Dies kompliziert und schwerer das Projekt. Peter fand eine alternative Lösung - um monokomponentige thermokatalytische Motoren mit durchschnittlichem Schub einzusetzen. Vier Triebwerke bieten einen geeigneten Schub zum Ändern der Umlaufgeschwindigkeit. Durch die seitliche Trennung kann das Gerät in Neigung und Gier ausgerichtet werdenwird die Wankrotation von zwei zusätzlichen Motoren mit niedrigem Schub gesteuert. Eine solche Lösung scheint ein Kompromiss zu sein, aber es gibt auch Nachteile, die noch umgangen werden müssen.

    Schwierigkeiten traten beim Versuch, Raketentriebwerke und Schwungradmotoren "miteinander in Einklang zu bringen". Die ausgewählten Schwungräder, die sich bei erdnahen Fahrzeugen unserer Skala gut zeigen, erwiesen sich als zu schwach, um die Rotationsgeschwindigkeit zu kompensieren, die von den Raketentriebwerken in unserem System verursacht wird.



    Der Drehimpuls des Raketentriebwerks in Neigung und Gier kann verringert werden, indem der Motor näher an die Mitte bewegt wird, doch dann wird ein anderes Problem größer. Schulterreduktion, d.h. Die Differenz zwischen der Achse des Motors und der Mittelachse der Vorrichtung wird dazu führen, dass jeder Entladevorgang der Schwungräder des Motors zu einigen Änderungen im Satellitenorbit führt, und die Änderung wird sich ändern Der Schub des Raketentriebwerks ist variabel und hängt vom Druck im Ladetank ab.

    Der Hauptfaktor, der das Design des Raumfahrzeugs beeinflusst, seine Abmessungen, die Motorleistung und die Größe von Sonnenkollektoren - dies ist die Nutzlast. Ie Geräte für die Informationen, von denen der gesamte Start ausgeführt wird. In unserem Fall handelt es sich dabei um ein Teleskop und ein Fotosystem zum Schießen der Mondoberfläche. Auch bei ihr gab es Änderungen, die das Design des Geräts beeinflussten, aber dies ist ein Thema für ein anderes Gespräch. Im Allgemeinen sind die Änderungen positiv - das Teleskop wurde reduziert, aber die Änderung führte zu einer signifikanten Überarbeitung des Designs, was wiederum Zeit brauchte.

    Über die Eigenschaften des Schießens des Mondes ist noch gesondert zu reden.

    Ich hoffe, dass das vorläufige Design des Mondmikrosatellits bald abgeschlossen sein wird und wir die verallgemeinerten Ergebnisse der dreijährigen Arbeit teilen können.

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