Trois ans du projet de microsatellites lunaires: étapes de la croissance

Il y a trois ans, j'ai proposé de développer un vaisseau spatial à lancer sur la Lune et de photographier les sites d'atterrissage d'Apollo et de Lunokhod avec une qualité suffisante pour distinguer les traces laissées là il y a un demi-siècle. Un groupe d'ingénieurs enthousiastes s'est porté volontaire pour participer au projet et a assumé cette tâche. La première étape de développement - la description technique du satellite (projet avancé) - a duré trois ans et n'est pas encore terminée.

Pour terminer la première étape, j'ai annoncé une levée de fonds sur le site boomstarter.ru . Nous étions soutenus par un millier et demi de personnes et le montant total collecté s'élevait à 1 million 750 mille roubles. Tous les travaux du projet se font sur une base volontaire, une partie de l'argent récolté a été consacrée à l'achat d'équipements et de composants pour le développement de prototypes d'un système de radiocommunication et de communication laser. Nous avons mis de côté la majeure partie du montant à payer pour l'examen d'État du projet préparé à l'Institut de Roscosmos. S'il reste des fonds après l'examen, nous les partagerons entre les participants au développement, proportionnellement à la contribution à la cause commune, c'est-à-dire au texte du document final.

Voici les réponses à quelques questions courantes sur le projet.


La tâche de l'équipe n'était pas seulement de préparer une description technique du projet, mais aussi de la rendre conforme aux exigences de documentation de l'industrie spatiale russe. La préparation d'un tel projet d'avance pour un petit vaisseau spatial coûterait environ un million de roubles, et les organisations concernées nous l'auraient fait en quelques mois, mais nous aimerions non seulement donner de l'argent à un bureau d'études, obtenir le document souhaité et le mettre sur l'étagère. L'objectif était de former un groupe de spécialistes capables de réaliser un projet avancé, de collecter un satellite et de mettre en œuvre l'ensemble du programme de vol.

En fait, c'est en partie la raison du retard. Tous les passionnés n'étaient pas prêts à travailler en équipe, tous n'étaient pas en mesure de mettre les résultats de leur travail dans un document d'ingénierie sérieux, et tous n'étaient pas capables de combiner le bénévolat avec la famille / l'école / le travail. Je vois le principal responsable des retards sur moi-même - je n'ai pas montré l'exactitude et la persévérance requises, j'étais peu inspiré par l'exemple personnel.

Aujourd'hui, le travail d'équipe se poursuit et le document est lentement mais sûrement en préparation. Je voudrais noter que le non-respect des délais dans l’industrie spatiale est un phénomène courant.



Vous pouvez en parler plus en détail en utilisant notre propre exemple.

Quelles sont les difficultés de création d'un vaisseau spatial? Pourquoi ne pouvez-vous pas simplement «acheter et assembler un constructeur»? Pourquoi presque tous les projets spatiaux liés au développement de nouvelles technologies ne respectent pas les délais fixés? Après tout, tous les vaisseaux spatiaux ont environ un ensemble de systèmes embarqués, et l'espace, semble-t-il, est le même partout - vide, rayonnement, lumière du soleil ... Il semble étrange qu'en astronautique tout ne soit pas unifié comme les ordinateurs personnels, de sorte que vous pouvez indépendamment à la maison ou Garage pour assembler votre propre satellite. Mais en réalité, presque tous les vaisseaux spatiaux sont du travail manuel, des fils torsadés et du scotch, une approche créative et des logiciels souvent auto-écrits.



Seuls quelques projets multisatellites ont atteint le niveau de pré-production: GPS, GLONASS, satellites de télécommunications géostationnaires et quelques autres projets.

Les nanosatellites au format CubeSat sont plus ou moins unifiés en raison de leur faible coût, de leurs dimensions standard et de leur popularité auprès des instituts et des entreprises privées.

Pourquoi les satellites sont-ils différents partout?

Par rapport aux ordinateurs personnels, la première différence avec l'astronautique est la taille de la série. Tous les vaisseaux spatiaux en fonctionnement sur des orbites proches de la Terre sont environ un mille et demi. Il y a tellement d'ordinateurs dans un quartier urbain.

La deuxième différence est la différence de conditions physiques sur différentes orbites. En orbite basse, environ 40 à 45% du temps, les satellites sont dans l'ombre de la Terre. Cela signifie qu'ils peuvent facilement se débarrasser de la chaleur excessive accumulée par le soleil et par le chauffage des systèmes embarqués. L'appareil en orbite géostationnaire ou en vol interplanétaire est éclairé presque 100% du temps, et la perte de chaleur est un gros problème - cela complique le système pour fournir des conditions thermiques, augmente la taille des radiateurs et la masse. Par conséquent, vous ne pouvez pas simplement prendre la conception du satellite proche de la Terre et le lancer sur la lune.

Avec le satellite lunaire, les difficultés thermiques doublent: vous devez d'abord voler en plein soleil, puis tourner autour de la lune, en diminuant progressivement. Plus la zone d'ombre est basse. Et nous n'avons pas encore atteint les calculs thermiques, alors que nous terminons seulement la description de la conception de base et de la composition des appareils.

En orbite terrestre basse, les satellites peuvent utiliser un champ magnétique pour s'orienter - changements de position dans l'espace par rapport au centre de masse (en d'autres termes, un satellite peut choisir où le `` chercher '' ou se retourner avec des panneaux solaires, en utilisant la même force de rotation qui dévie l'aiguille de la boussole). Autrement dit, les satellites proches de la Terre en orbite basse n'ont pas besoin de carburant et de moteurs-fusées - suffisamment de panneaux solaires pour alimenter les moteurs à volant et les bobines magnétiques pour fonctionner efficacement et être bénéfiques. Lorsque le champ magnétique s'affaiblit ou est totalement absent, l'appareil a besoin de moteurs-fusées pour effectuer des virages. Si vous prenez simplement un satellite proche de la Terre et que vous vous lancez sur la lune, il se transformera en un grincement inutile et ne pourra envoyer que dans toutes les directions le "bip-bip-bip" sans fin, qui sera rapidement perdu dans le bruit radio de l'espace. Dans le meilleur des cas, il peut être tordu le long d'un axe et utilisé pour la mission de vol, sans entrer en orbite.

Le facteur de rayonnement cosmique est également important - en orbite basse, les satellites sont considérablement protégés des effets des particules cosmiques par l'hémisphère terrestre, le champ magnétique et la haute atmosphère. Cependant, comme le montre la pratique, l'électronique terrestre moderne à des fins industrielles peut fonctionner jusqu'à un an dans l'espace interplanétaire.

La troisième différence entre les appareils est la nécessité de changer l'orbite. En règle générale, les petits satellites proches de la Terre n'ont pas besoin de changer l'orbite de celle dans laquelle ils ont été lancés. Dans les cas extrêmes, vous pouvez utiliser des techniques aérodynamiques, comme décidé à l' origine par Planet. Pour les satellites en orbite haute, une correction de l'orbite est déjà requise en raison de la durée du vol et des facteurs perturbateurs qui commencent à s'accumuler avec le temps: la pression de la lumière solaire, la gravité du Soleil, de la Lune, de Jupiter et de Vénus. La correction d'orbite est un petit changement dans l'orbite en augmentant ou en diminuant la vitesse de vol.

Lorsque vous lancez l'appareil, il volera

La conception du véhicule interplanétaire dépend fortement des capacités de lancement au lancement. S'il existe une unité d'accélération suffisamment précise capable de régler immédiatement la trajectoire souhaitée et la deuxième vitesse spatiale pour la sonde interplanétaire, cela économise considérablement la masse de carburant sur l'appareil lui-même. S'il n'y a pas de bloc d'appoint approprié ou s'il n'y a pas assez de capacité de transport de fusée pour cela, vous devez en verser plus dans l'appareil. Mais même si l'accélérateur a aidé, la cible devra à nouveau éteindre considérablement la vitesse interplanétaire. Dans le cas d'un vol vers la lune, environ 850 m / s doivent être lâchés pour entrer en orbite. Imaginez une fusée capable d'accélérer 100 kg de fret à la vitesse de l'avion à réaction le plus rapide - il n'y a pas assez d'extincteur comme dans les films.

Lors de la conception du microsatellite lunaire, nous avons considéré deux options de lancement: lancement associé en orbite géostationnaire et lancement en orbite de transition lunaire.
Le géostationnaire est une orbite populaire à des fins commerciales, où 15 à 20 missiles volent chaque année. Autrement dit, un large choix et de nombreuses opportunités pour passer le vol. Mais ce n'est que 36 000 km et vous devez voler dix fois plus vers la lune.
L'orbite de transition lunaire est un lancement vers la lune à presque la deuxième vitesse cosmique. Ces lancements ont lieu environ une fois par an. La Chine, l'Inde, le Japon, la Russie, la Corée du Sud lancent ou sont sur le point de lancer la Lune sur la lune, et il y a une chance de sauter sur la queue de quelqu'un. Cependant, des lancements scientifiques complexes sont constamment repoussés, vous pouvez donc vous mettre d'accord sur un vol commun, fabriquer un satellite et attendre plusieurs années l'état de préparation de la charge principale. L'option idéale est la livraison de notre appareil immédiatement sur l'orbite lunaire - nous n'envisageons pas, en raison de la faible probabilité de trouver une "balade" appropriée.

Deux options de lancement nécessitent deux systèmes de propulsion différents, avec des réserves de carburant différentes. La masse de départ des deux versions des appareils était deux fois plus différente, et la version "géostationnaire" est sortie à près de 200 kg - ce n'est plus un microsatellite. Les moteurs étaient considérés comme de l'hydrazine à deux composants (hydrazine / tétraoxyde d'azote), en tant que produit chimique le plus efficace pour une utilisation dans l'espace. Les moteurs à ions et à plasma n'ont pas été pris en compte en raison du coût élevé, des grandes dimensions des cellules solaires et des difficultés de contrôle et de navigation.

Le résultat fut un appareil assez complexe, tout à fait comparable à ce qui pouvait naître au bureau d'études des entreprises publiques.



Les différences d'orbites donnent lieu à une autre différence - dans les moyens de transmission des informations. Malgré des expériences répétées avec les communications laser dans l'espace, la communication radio reste la principale méthode de transmission d'informations dans l'espace. Plus l'appareil est proche de la Terre, plus son complexe radioélectrique est petit, sa consommation électrique et la taille de son antenne. Par conséquent, le petit CubeSat proche de la Terre peut transmettre en toute sécurité la télémétrie et même des images à des radio-amateurs sur terre, ayant une très petite zone de panneaux solaires et une antenne omnidirectionnelle de la roulette du menuisier.



Si nous voulons travailler près de la Lune et transmettre de grandes quantités de données, nous devrons prendre soin d'une plaque d'antenne pointue d'un diamètre d'au moins un demi-mètre et de panneaux solaires d'une superficie d'environ un mètre. La réception sur Terre ne peut plus être fournie au fil depuis le vantail de la fenêtre - des stations sérieuses seront nécessaires avec des antennes d'un diamètre de plusieurs mètres, et de préférence de plusieurs dizaines de mètres. Il n'y a que quelques stations de ce type en Russie, des dizaines dans le monde et elles sont toutes occupées par leur travail. Il est très peu probable que des antennes de 64 ou 32 mètres nous soient attribuées.

Au moins, vous ne pouvez pas vous y fier. Vous pouvez économiser sur le sol en augmentant le diamètre de l'antenne sur l'appareil. Mais tous les 10 cm du diamètre de l’antenne ou de l’ampleur des batteries solaires du satellite affectent considérablement ses caractéristiques inertielles de masse, nécessitent plus de carburant et de consommation d’énergie pour les systèmes d’orientation. Les besoins énergétiques augmentent les panneaux solaires, la masse des batteries, ce qui conduit à une augmentation de la masse et de la croissance des réservoirs de carburant - et ainsi de suite à l'infini ... Par conséquent, le développement de la technologie spatiale est un éternel compromis.



Afin de gagner du poids, nous avons limité le diamètre de l'antenne à 40 centimètres, dans l'espoir qu'au moment du lancement sur Terre, nous trouverons une antenne de réception de 12 mètres ou plus. Et mieux trois, sur différents continents. Si nous ne le trouvons pas, nous devrons transmettre des données à très faible vitesse: des dizaines de kilobits par seconde, mais la réception sera disponible pour la radio amateur.

Orientation correcte

L'orientation dans l'espace est le prochain problème. La Terre peut utiliser un champ magnétique, l'aérodynamique ou d'autres techniques. Les moteurs-fusées restent dans l'espace interplanétaire, mais il existe un autre outil qui fournit une orientation de haute précision et vous permet de contrôler efficacement la position de l'appareil par rapport à son centre de masse - les moteurs à volant. Ce sont des moteurs électriques à roues massives qui, en tournant, contribuent à faire tourner l'appareil en sens inverse. Pour l'orientation sur trois axes, trois moteurs à volant sont nécessaires, mais généralement ils en mettent quatre - un pour la réserve.



Les moteurs à volant n'ont besoin que d'électricité pour fonctionner, mais ils n'agissent que lorsqu'ils prennent de la vitesse ou lorsqu'ils sont éteints. À un moment donné, le volant d'inertie gagne en vitesse maximale et devient inutile, puis il doit être «déchargé», freiné pour que l'appareil ne perde pas son orientation dans l'espace. Ensuite, pour le déchargement, des moteurs-fusées sont également utilisés, et ceux-ci doivent être des moteurs à très faible poussée afin de ne pas provoquer de forte rotation de l'appareil. Parfois, les moteurs-fusées du système d'orientation sont utilisés au gaz - sur le gaz comprimé ordinaire, comme le même extincteur du film, il existe d'autres modèles: fusée thermocatalytique ou électrique (plasma, ion).

Notre concepteur permanent du microsatellite lunaire Peter Kudryashov a cherché à minimiser la masse de l'appareil. A cet effet, lors de la dernière itération du projet, ils ont décidé d'abandonner le vol de l'orbite géostationnaire, en se concentrant uniquement sur la jonction lunaire. Une autre solution était le remplacement des moteurs. Le système de propulsion de marche à deux composants a une puissance élevée et ne convient pas au déchargement des volants d'inertie, de sorte que le satellite avait besoin d'un deuxième système de propulsion pour l'orientation. Cela a compliqué et aggravé le projet. Peter a trouvé une solution alternative - pour mettre des moteurs thermocatalytiques monocomposants de poussée moyenne. Quatre moteurs fournissent une poussée appropriée pour changer la vitesse orbitale, et les espacer sur les côtés vous permet d'orienter l'appareil en tangage et en lacet , et la rotation du roulis est contrôlée par deux moteurs supplémentaires à faible poussée. Cette décision semble être un compromis, mais il y a aussi des inconvénients qui doivent encore être contournés.

Des difficultés sont survenues lors de la tentative de rapprochement des moteurs-fusées et des moteurs à volant. Les volants d'inertie sélectionnés, qui fonctionnent bien sur les véhicules proches de la Terre de notre échelle, étaient trop faibles pour compenser la vitesse de rotation définie par les moteurs-fusées de notre circuit.



Le moment de rotation d'un moteur-fusée en tangage et en lacet peut être réduit en rapprochant le moteur du centre, mais un autre problème s'intensifie. Réduction de l'effet de levier, c.-à-d. la différence entre l'axe du moteur et l'axe central de l'appareil entraînera le fait que chaque opération de déchargement des moteurs à volant entraînera une certaine modification de l'orbite du satellite, et la modification changera, car la poussée du moteur-fusée est instable et dépend de la pression dans le réservoir de suralimentation.

Le principal facteur affectant la conception de l'engin spatial, ses dimensions, la puissance du moteur et la taille des panneaux solaires est la charge utile. C'est-à-dire des appareils pour des informations à partir desquelles le lancement complet est effectué. Dans notre cas, il s'agit d'un télescope et d'un photosystème pour filmer la surface de la lune. Avec lui aussi, il y a eu des changements qui ont affecté la conception de l'appareil, mais c'est un sujet pour une autre discussion. En général, les changements sont positifs - le télescope a été réduit, mais le changement a conduit à une révision significative de la conception, ce qui a de nouveau pris du temps.

À propos des caractéristiques du tournage de la lune, cela vaut toujours la peine de parler séparément.

J'espère que la conception préliminaire du microsatellite lunaire sera bientôt terminée et que nous pourrons partager les résultats généralisés des travaux sur trois ans +.