Drei Jahre Mond-Mikrosatelliten-Projekt: Stadien des Erwachsenwerdens

Vor drei Jahren schlug ich vor, ein Raumschiff zu entwickeln, um zum Mond zu starten und die Landeplätze von Apollo und Lunokhod mit ausreichender Qualität zu fotografieren, um die dort vor einem halben Jahrhundert hinterlassenen Spuren zu unterscheiden. Eine Gruppe begeisterter Ingenieure meldete sich freiwillig zur Teilnahme an dem Projekt und übernahm diese Aufgabe. Die erste Entwicklungsstufe - die technische Beschreibung des Satelliten (Vorprojekt) - dauerte drei Jahre und ist noch nicht abgeschlossen.

Um die erste Phase abzuschließen, habe ich eine Spendenaktion auf der Website boomstarter.ru angekündigt . Wir wurden von anderthalb Tausend Menschen unterstützt, und der gesammelte Gesamtbetrag belief sich auf 1 Million 750 Tausend Rubel. Die gesamte Arbeit im Projekt erfolgt auf freiwilliger Basis. Ein Teil des gesammelten Geldes floss in den Kauf von Geräten und Komponenten für die Entwicklung von Prototypen eines Funkkommunikationssystems und der Laserkommunikation. Wir haben den Großteil des Betrags für die staatliche Prüfung des vorbereiteten Projekts am Institut für Roscosmos reserviert. Wenn nach der Prüfung noch Mittel übrig sind, werden wir diese im Verhältnis zum Beitrag zur gemeinsamen Sache, dh zum Text des Abschlussdokuments, unter den Entwicklungsteilnehmern teilen.

Hier finden Sie Antworten auf einige häufig gestellte Fragen zum Projekt.


Die Aufgabe des Teams bestand nicht nur darin, eine technische Beschreibung des Projekts zu erstellen, sondern es auch gemäß den Anforderungen für die Dokumentation der russischen Raumfahrtindustrie zu erstellen. Die Vorbereitung eines solchen Vorabprojekts für ein kleines Raumschiff würde ungefähr eine Million Rubel kosten, und die entsprechenden Organisationen hätten es in ein paar Monaten getan, aber wir möchten nicht nur einem Designbüro Geld geben, das gewünschte Dokument erhalten und es ins Regal stellen. Ziel war es, eine Gruppe von Spezialisten zu bilden, die in der Lage sind, ein Vorabprojekt durchzuführen, einen Satelliten zu sammeln und das gesamte Flugprogramm umzusetzen.

Tatsächlich ist dies teilweise der Grund für die Verzögerung. Nicht alle Enthusiasten waren bereit, in einem Team zu arbeiten, nicht alle waren in der Lage, die Ergebnisse ihrer Arbeit in ein seriöses technisches Dokument zu schreiben, und nicht alle waren in der Lage, Freiwilligenarbeit mit Familie / Schule / Arbeit zu kombinieren. Ich sehe die Hauptschuld für die Verzögerungen bei mir selbst - ich habe nicht die erforderliche Genauigkeit und Ausdauer gezeigt, ich war wenig von persönlichem Beispiel inspiriert.

Heute wird die Teambildung fortgesetzt und das Dokument wird langsam aber sicher vorbereitet. Ich möchte darauf hinweisen, dass die Nichteinhaltung von Fristen in der Raumfahrtindustrie ein weit verbreitetes Phänomen ist.



Sie können dies anhand unseres eigenen Beispiels ausführlicher erläutern.

Was sind die Schwierigkeiten bei der Schaffung von Raumfahrzeugen? Warum kann man nicht einfach einen Konstruktor kaufen und zusammenbauen? Warum halten fast alle Weltraumprojekte im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Technologien die angegebenen Fristen nicht ein? Schließlich verfügen alle Raumfahrzeuge über einen Satz von Bordsystemen, und der Weltraum scheint überall gleich zu sein - Vakuum, Strahlung, Sonnenlicht ... Es scheint seltsam, dass in der Astronautik nicht alles wie PCs vereinheitlicht ist, so dass Sie unabhängig zu Hause oder im Haus arbeiten können Garage, um Ihren eigenen Satelliten zusammenzubauen. In Wirklichkeit ist fast jedes Raumschiff manuelle Arbeit, Kabel auf Drehungen und Klebeband, ein kreativer Ansatz und oft selbst geschriebene Software.



Nur einige Multisatellitenprojekte haben das Vorproduktionsniveau erreicht: GPS, GLONASS, geostationäre Telekommunikationssatelliten und einige andere Projekte.

Nanosatelliten im CubeSat-Format sind aufgrund ihrer geringen Kosten, Standardabmessungen und Beliebtheit bei Instituten und privaten Unternehmen mehr oder weniger einheitlich.

Warum unterscheiden sich die Satelliten überall?

Im Vergleich zu PCs ist der erste Unterschied zur Astronautik die Größe der Serie. Alle operativen Raumschiffe in erdnahen Umlaufbahnen sind ungefähr anderthalb Tausend. Es gibt so viele Computer in einem Stadtviertel.

Der zweite Unterschied ist der Unterschied in den physikalischen Bedingungen in verschiedenen Umlaufbahnen. In einer niedrigen Erdumlaufbahn befinden sich Satelliten in etwa 40-45% der Fälle im Schatten der Erde. Dies bedeutet, dass sie überschüssige Wärme, die von der Sonne und vom Heizen von Bordsystemen angesammelt wird, ganz leicht abführen können. Das Gerät im geostationären Orbit oder im interplanetaren Flug leuchtet fast zu 100%, und der Wärmeverlust ist ein großes Problem. Dies erschwert das System zur Bereitstellung thermischer Bedingungen, erhöht die Größe der Strahler und die Masse. Daher können Sie das Design des erdnahen Satelliten nicht einfach auf den Mond bringen.

Mit dem Mond-Satelliten verdoppeln sich die thermischen Schwierigkeiten: Zuerst müssen Sie in konstantem Sonnenlicht fliegen und sich dann um den Mond drehen, wobei er allmählich abnimmt. Je niedriger desto länger der Schattenbereich. Und wir haben noch keine thermischen Berechnungen erreicht, während wir nur die Beschreibung des grundlegenden Designs und der Zusammensetzung der Geräte vervollständigen.

In einer erdnahen Umlaufbahn können sich Satelliten mithilfe eines Magnetfelds orientieren - Änderungen der Position im Raum relativ zum Massenmittelpunkt (mit anderen Worten, ein Satellit kann wählen, wo er danach suchen oder sich mit Sonnenkollektoren umdrehen möchte, wobei er dieselbe Kraft zum Drehen verwendet, die die Kompassnadel ablenkt). Das heißt, erdnahe Satelliten in niedriger Umlaufbahn benötigen keine Treibstoff- und Raketentriebwerke - genug Sonnenkollektoren, um Schwungradmotoren und Magnetspulen anzutreiben, um effizient zu arbeiten und vorteilhaft zu sein. Wenn das Magnetfeld schwächer wird oder ganz fehlt, benötigt das Gerät Raketentriebwerke, um Kurven zu fahren. Wenn Sie nur einen erdnahen Satelliten nehmen und zum Mond starten, wird dieser zu einem nutzlosen Quietscher und kann nur den endlosen „Beep-Beep-Beep“ in alle Richtungen senden, der schnell im Funkrauschen des Weltraums verloren geht. Im besten Fall kann es entlang einer Achse gedreht und für die Flugmission verwendet werden, ohne in die Umlaufbahn zu gelangen.

Der kosmische Strahlungsfaktor ist ebenfalls wichtig - in niedrigen Umlaufbahnen sind Satelliten durch die Erdhalbkugel, das Magnetfeld und die obere Atmosphäre erheblich vor den Auswirkungen kosmischer Partikel geschützt. Wie die Praxis zeigt, kann moderne terrestrische Elektronik für industrielle Zwecke im interplanetaren Raum bis zu einem Jahr arbeiten.

Der dritte Unterschied zwischen den Geräten besteht in der Notwendigkeit, die Umlaufbahn zu ändern. Kleine erdnahe Satelliten müssen in der Regel nicht die Umlaufbahn von der ändern, in die sie gestartet wurden. In extremen Fällen können Sie aerodynamische Techniken verwenden, wie ursprünglich von Planet entschieden. Bei Satelliten in hohen Umlaufbahnen ist aufgrund der Flugdauer und der mit der Zeit beginnenden Störfaktoren bereits eine Umlaufbahnkorrektur erforderlich: der Druck des Sonnenlichts, die Schwerkraft von Sonne, Mond, Jupiter und Venus. Die Umlaufbahnkorrektur ist eine kleine Änderung der Umlaufbahn durch Erhöhen oder Verringern der Fluggeschwindigkeit.

Wenn Sie das Gerät starten, wird es fliegen

Das Design des interplanetaren Fahrzeugs hängt stark von den Startfähigkeiten beim Start ab. Wenn es eine ausreichend genaue Beschleunigungseinheit gibt, die in der Lage ist, die gewünschte Flugbahn und die zweite Raumgeschwindigkeit für die interplanetare Sonde sofort einzustellen, spart dies die Kraftstoffmasse auf der Vorrichtung selbst erheblich. Wenn es keinen geeigneten Boosterblock gibt oder nicht genügend Raketentragfähigkeit dafür vorhanden ist, müssen Sie mehr in das Gerät gießen. Aber selbst wenn das Gaspedal geholfen hat, muss das Ziel die interplanetare Geschwindigkeit erneut deutlich löschen. Im Falle eines Fluges zum Mond müssen ungefähr 850 m / s fallen gelassen werden, um in die Umlaufbahn zu gelangen. Stellen Sie sich eine Rakete vor, die 100 kg Fracht auf die Geschwindigkeit des schnellsten Düsenflugzeugs beschleunigen kann - es gibt nicht genug Feuerlöscher wie im Film.

Bei der Entwicklung des Mondmikrosatelliten haben wir zwei Startoptionen berücksichtigt: den damit verbundenen Start in die geostationäre Umlaufbahn und den Start in die Mondübergangsbahn.
Geostationary ist eine für kommerzielle Zwecke beliebte Umlaufbahn, in der jedes Jahr 15 bis 20 Raketen fliegen. Das heißt, eine große Auswahl und viele Möglichkeiten für den Passflug. Aber das sind nur 36.000 km, und Sie müssen zehnmal mehr zum Mond fliegen.
Die Mondübergangsbahn ist ein Start in Richtung Mond mit fast der zweiten kosmischen Geschwindigkeit. Solche Starts finden ungefähr einmal im Jahr statt. China, Indien, Japan, Russland, Südkorea starten oder stehen kurz davor, den Mond auf dem Mond zu starten, und es besteht die Möglichkeit, jemandem auf den Schwanz zu springen. Komplexe wissenschaftliche Starts werden jedoch ständig verschoben, sodass Sie sich auf einen gemeinsamen Flug einigen, einen Satelliten bauen und mehrere Jahre auf die Bereitschaft der Hauptlast warten können. Die ideale Option ist die sofortige Lieferung unseres Geräts in die Mondumlaufbahn - wir berücksichtigen dies nicht, da die Wahrscheinlichkeit gering ist, eine geeignete "Fahrt" zu finden.

Zwei Startoptionen erfordern zwei unterschiedliche Antriebssysteme mit unterschiedlichen Kraftstoffreserven. Die Ausgangsmasse der beiden Geräteversionen war doppelt so unterschiedlich, und die "geostationäre" Version lag bei fast 200 kg - dies ist kein Mikrosatellit mehr. Motoren wurden als Zweikomponenten-Hydrazin (Hydrazin / Stickstofftetraoxid) als die wirksamste Chemikalie für den Einsatz im Weltraum angesehen. Ionen-Plasmamotoren wurden aufgrund der hohen Kosten, der großen Abmessungen der Solarzellen und der Schwierigkeiten bei der Steuerung und Navigation nicht berücksichtigt.

Das Ergebnis war ein ziemlich komplexer Apparat, vergleichbar mit dem, was im Designbüro staatlicher Unternehmen geboren werden konnte.



Unterschiede in den Umlaufbahnen führen zu einem weiteren Unterschied - in der Art der Informationsübertragung. Trotz wiederholter Experimente mit Laserkommunikation im Weltraum bleibt die Funkkommunikation die Hauptmethode zur Übertragung von Informationen im Weltraum. Je näher das Gerät an der Erde ist, desto kleiner ist sein Funkkomplex, sein Stromverbrauch und seine Antennengröße. Daher kann der kleine erdnahe CubeSat Telemetrie und sogar Bilder sicher an Funkamateure auf der Erde übertragen. Er verfügt über eine sehr kleine Fläche an Sonnenkollektoren und eine Rundstrahlantenne vom Tischlerroulette.



Wenn wir in der Nähe des Mondes arbeiten und große Datenmengen übertragen möchten, müssen wir uns um eine spitze Antennenplatte mit einem Durchmesser von mindestens einem halben Meter und Sonnenkollektoren mit einer Fläche von etwa einem Meter kümmern. Der Empfang vom Draht aus dem Fensterblatt auf der Erde kann nicht mehr bereitgestellt werden. Bei Antennen mit einem Durchmesser von mehreren Metern und vorzugsweise mehreren zehn Metern sind ernsthafte Stationen erforderlich. Es gibt nur wenige solcher Stationen in Russland, 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 können Sie sich nicht darauf verlassen. Sie können am Boden sparen, indem Sie den Durchmesser der Antenne am Gerät vergrößern. Alle 10 cm des Antennendurchmessers oder der Größe der Solarbatterien des Satelliten wirken sich jedoch erheblich auf die Massenträgheitseigenschaften aus, erfordern mehr Kraftstoff und Energieverbrauch für Orientierungssysteme. Der Energiebedarf erhöht die Sonnenkollektoren, die Masse der Batterien, was zu einer Zunahme der Masse und des Wachstums der Kraftstofftanks führt - und so weiter bis ins Unendliche ... Daher ist die Entwicklung der Weltraumtechnologie ein ewiger Kompromiss.



Um Gewicht zu sparen, haben wir den Durchmesser der Antenne auf 40 Zentimeter begrenzt, in der Hoffnung, dass wir zum Zeitpunkt des Starts auf der Erde eine 12-Meter- oder sogar größere Empfangsantenne finden werden. Und besser drei auf verschiedenen Kontinenten. Wenn wir es nicht finden, müssen wir Daten mit einer sehr geringen Geschwindigkeit senden: zig Kilobit pro Sekunde, aber der Empfang steht dem Amateurfunk zur Verfügung.

Richtige Ausrichtung

Orientierung im Raum ist das nächste Problem. Die Erde kann ein Magnetfeld, Aerodynamik oder andere Techniken verwenden. Raketentriebwerke bleiben im interplanetaren Raum, aber es gibt ein anderes Werkzeug, das eine hochpräzise Ausrichtung bietet und es Ihnen ermöglicht, die Position des Geräts relativ zu seinem Massenschwerpunkt effektiv zu steuern - Schwungradtriebwerke. Dies sind Elektromotoren mit massiven Rädern, die beim Drehen dazu beitragen, das Gerät in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Zur Ausrichtung auf drei Achsen werden drei Schwungradmotoren benötigt, in der Regel jedoch vier - einer für die Reserve.



Schwungradmotoren benötigen zum Betrieb nur Strom, wirken jedoch nur, wenn sie an Geschwindigkeit gewinnen oder wenn sie gelöscht werden. Irgendwann erreicht das Schwungrad die maximale Geschwindigkeit und wird unbrauchbar. Dann muss es „entladen“ und gebremst werden, damit das Gerät seine Ausrichtung im Raum nicht verliert. Zum Entladen werden dann auch Raketentriebwerke verwendet, und dies sollten Motoren mit sehr geringem Schub sein, um keine starke Drehung der Vorrichtung zu verursachen. Manchmal werden Raketentriebwerke des Orientierungssystems als Gas verwendet - bei gewöhnlichem Druckgas, wie dem gleichen Feuerlöscher aus dem Film, gibt es andere Konstruktionen: thermokatalytische oder elektrische Raketen (Plasma, Ionen).

Unser ständiger Designer des Mondmikrosatelliten Peter Kudryashov machte sich daran, die Masse des Geräts zu minimieren. Zu diesem Zweck beschlossen sie bei der letzten Iteration des Projekts, den Flug von der geostationären Umlaufbahn abzubrechen und sich nur auf die Mondverbindung zu konzentrieren. Eine andere Lösung war der Austausch von Motoren. Das Zweikomponenten-Marschantriebssystem hat eine hohe Leistung und ist nicht zum Entladen von Schwungrädern geeignet. Daher benötigte der Satellit ein zweites Antriebssystem zur Orientierung. Dies komplizierte und erschwerte das Projekt. Peter fand eine alternative Lösung - um thermokatalytische Einkomponentenmotoren mit mittlerem Schub einzusetzen. Vier Motoren bieten einen geeigneten Schub zum Ändern der Umlaufgeschwindigkeit. Durch den seitlichen Abstand können Sie das Gerät nach Neigung und Gieren ausrichten. Die Rollendrehung wird von zwei zusätzlichen Motoren mit niedrigem Schub gesteuert. Diese Entscheidung scheint ein Kompromiss zu sein, aber es gibt auch Nachteile, die noch umgangen werden müssen.

Beim Versuch, Raketentriebwerke und Schwungradtriebwerke miteinander in Einklang zu bringen, traten Schwierigkeiten auf. Die ausgewählten Schwungräder, die bei erdnahen Fahrzeugen unserer Größenordnung eine gute Leistung erbringen, waren zu schwach, um die von Raketentriebwerken in unserer Rennstrecke eingestellte Drehzahl auszugleichen.



Der Drehimpuls eines Raketentriebwerks in Nick- und Gierrichtung kann verringert werden, indem der Motor näher an die Mitte bewegt wird. Dann verschärft sich jedoch ein anderes Problem. Hebelreduzierung, d.h. Der Unterschied zwischen der Achse des Triebwerks und der Mittelachse der Vorrichtung führt dazu, dass jeder Entladevorgang der Schwungradtriebwerke zu einer gewissen Änderung der Umlaufbahn des Satelliten führt und sich die Änderung ändert, weil Der Schub des Raketentriebwerks ist instabil und hängt vom Druck im Ladetank ab.

Der Hauptfaktor, der das Design des Raumfahrzeugs, seine Abmessungen, die Motorleistung und die Größe der Sonnenkollektoren beeinflusst, ist die Nutzlast. Das heißt, Geräte zum Zwecke der Information, von denen aus der gesamte Start ausgeführt wird. In unserem Fall ist dies ein Teleskop und ein Photosystem zum Aufnehmen der Mondoberfläche. Auch damit wurden Änderungen vorgenommen, die sich auf das Design des Geräts ausgewirkt haben. Dies ist jedoch ein Thema für eine weitere Diskussion. Im Allgemeinen sind die Änderungen positiv - das Teleskop wurde reduziert, aber die Änderung führte zu einer signifikanten Überarbeitung des Designs, die wiederum einige Zeit in Anspruch nahm.

Über die Funktionen des Mondschießens lohnt es sich immer noch, separat zu sprechen.

Ich hoffe, dass das vorläufige Design des Mondmikrosatelliten bald abgeschlossen sein wird und wir in der Lage sein werden, die allgemeinen Ergebnisse der dreijährigen + Arbeit zu teilen.