Há três anos, propus desenvolver uma espaçonave para lançar na Lua e fotografar os locais de pouso do Apollo e Lunokhod com qualidade suficiente para distinguir os traços deixados ali meio século atrás. Um grupo de engenheiros entusiasmados se ofereceu para participar do projeto e assumiu essa tarefa. A primeira etapa do desenvolvimento - a
descrição técnica do satélite (projeto avançado) - levou três anos e ainda não foi concluída.
Para concluir a primeira etapa, anunciei um
evento de angariação de fundos no site
boomstarter.ru . Fomos apoiados por mil e quinhentas pessoas e o valor total arrecadado totalizou 1 milhão e 750 mil rublos. Todo o trabalho do projeto é voluntário, parte do dinheiro arrecadado foi destinado à compra de equipamentos e componentes para o desenvolvimento de protótipos de um sistema de radiocomunicação e comunicação a laser. Reservamos a maior parte do valor a ser pago pelo exame estadual do projeto preparado no Instituto de Roscosmos. Se os fundos permanecerem após o exame, os compartilharemos entre os participantes do desenvolvimento, proporcionalmente à contribuição para a causa comum, ou seja, para o texto do documento final.
Aqui estão as respostas para algumas
perguntas comuns sobre o projeto.
A tarefa da equipe não era apenas preparar uma descrição técnica do projeto, mas também fazê-lo de acordo com os requisitos de documentação da indústria espacial russa. A preparação de um projeto tão avançado para uma pequena espaçonave custaria cerca de um milhão de rublos, e as organizações relevantes que o faríamos em alguns meses, mas gostaríamos não apenas de dar dinheiro a alguma agência de design, obter o documento desejado e colocá-lo na prateleira. O objetivo era formar um grupo de especialistas capazes de fazer um projeto avançado, coletar um satélite e implementar todo o programa de vôo.
Na verdade, esse é parcialmente o motivo do atraso. Nem todos os entusiastas estavam prontos para trabalhar em equipe, nem todos foram capazes de colocar os resultados de seu trabalho em um sério documento de engenharia e nem todos foram capazes de combinar o voluntariado com a família / escola / trabalho. Vejo a principal culpa dos atrasos em mim - não mostrei a exatidão e perseverança necessárias, fiquei pouco inspirado no exemplo pessoal.
Hoje, o trabalho em equipe continua, e o documento está sendo preparado lenta mas seguramente. Gostaria de observar que o não cumprimento de prazos na indústria espacial é um fenômeno comum.
Você pode falar sobre isso com mais detalhes usando nosso próprio exemplo.
Quais são as dificuldades de criar naves espaciais? Por que você não pode simplesmente “comprar e montar um construtor”? Por que quase todos os projetos espaciais relacionados ao desenvolvimento de novas tecnologias não cumprem os prazos estabelecidos? Afinal, todas as naves espaciais têm cerca de um conjunto de sistemas de bordo e o espaço parece o mesmo em todos os lugares - vácuo, radiação, luz solar ... Parece estranho que na astronáutica nem tudo seja unificado como computadores pessoais, para que você possa independentemente em casa ou em casa. Garagem para montar seu próprio satélite. Mas, na realidade, quase todas as naves espaciais são trabalho manual, fios em torções e fita adesiva, uma abordagem criativa e, muitas vezes, software auto-escrito.
Apenas alguns projetos multissatélites atingiram o nível de pré-produção: GPS, GLONASS, satélites de telecomunicações geoestacionários e alguns outros projetos.
Os nanossatélites no formato CubeSat são mais ou menos unificados devido ao seu baixo custo, dimensões padrão e popularidade entre institutos e empresas privadas.
Por que os satélites são diferentes em todos os lugares?Comparado aos computadores pessoais, a
primeira diferença da astronáutica é o tamanho da série. Todas as naves espaciais em operação em órbitas próximas à Terra são de cerca de mil e meio. Existem tantos computadores em um bairro urbano.
A segunda diferença é a diferença nas condições físicas em diferentes órbitas. Em baixa órbita terrestre, aproximadamente 40-45% do tempo, os satélites estão na sombra da Terra. Isso significa que eles podem facilmente se livrar do excesso de calor acumulado do sol e do aquecimento dos sistemas de bordo. O dispositivo em órbita geoestacionária ou vôo interplanetário fica aceso quase 100% do tempo, e a perda de calor é um grande problema - isso complica o sistema por fornecer condições térmicas, aumenta o tamanho dos radiadores e da massa. Portanto, você não pode simplesmente pegar o design do satélite próximo à Terra e lançá-lo na lua.
Com o satélite lunar, as dificuldades térmicas dobram: primeiro você precisa voar sob a luz solar constante e depois girar ao redor da lua, diminuindo gradualmente. Quanto menor, maior a área de sombra. E ainda não atingimos cálculos térmicos, enquanto apenas completamos a descrição do design e composição básicos dos dispositivos.Na órbita baixa da Terra, os satélites podem usar um campo magnético para se orientar - mudanças na posição no espaço em relação ao centro de massa (em outras palavras, um satélite pode escolher onde “procurá-lo” ou girar com painéis solares, usando a mesma força de rotação que desvia a agulha da bússola). Ou seja, os satélites próximos à Terra em baixa órbita não precisam de motores a combustível e foguetes - painéis solares suficientes para acionar os motores do volante e as bobinas magnéticas para funcionar com eficiência e ser benéfico. Onde o campo magnético enfraquece ou está totalmente ausente, o dispositivo precisa de motores de foguete para fazer curvas. Se você pegar um satélite próximo à Terra e se lançar na Lua, ele se transformará em um squeaker inútil e só poderá enviar em todas as direções o interminável “beep-beep-beep”, que rapidamente se perderá no ruído do espaço no rádio. No melhor dos casos, ele pode ser torcido ao longo de um eixo e usado para a missão de vôo, sem entrar em órbita.
O fator de radiação cósmica também é importante - em órbita baixa, os satélites são significativamente protegidos dos efeitos das partículas cósmicas pelo hemisfério da Terra, campo magnético e atmosfera superior. No entanto, como mostra a prática, a eletrônica terrestre moderna para fins industriais
pode trabalhar até um ano no espaço interplanetário.
A terceira diferença entre os dispositivos é a necessidade de mudar a órbita. Como regra, pequenos satélites próximos à Terra não precisam mudar a órbita daquela em que foram lançados. Em casos extremos, você pode usar técnicas aerodinâmicas, como
originalmente decidido pelo Planet. Para satélites em órbitas altas, a correção da órbita já é necessária devido à duração do voo e a fatores perturbadores que começam a se acumular ao longo do tempo: a pressão da luz solar, a gravidade do Sol, da Lua, de Júpiter e de Vênus. A correção da órbita é uma pequena alteração na órbita, aumentando ou diminuindo a velocidade do voo.
Quando você inicia o dispositivo, ele voaO design do veículo interplanetário é altamente dependente dos recursos de lançamento no lançamento. Se houver uma unidade de aceleração suficientemente precisa, capaz de definir imediatamente a trajetória desejada e a segunda velocidade espacial para a sonda interplanetária, isso economizará significativamente a massa de combustível no próprio dispositivo. Se não houver um bloco auxiliar adequado ou se não houver capacidade suficiente para transportar foguetes, será necessário despejar mais no dispositivo. Mas mesmo que o acelerador tenha ajudado, o alvo novamente terá que extinguir significativamente a velocidade interplanetária. No caso de um voo para a lua, é necessário que caia aproximadamente 850 m / s para entrar em órbita. Imagine um foguete capaz de acelerar 100 kg de carga até a velocidade do avião a jato mais rápido - não há extintor de incêndio suficiente, como nos filmes.
Ao projetar o microssatélite lunar, consideramos duas opções de lançamento: lançamento associado à órbita geoestacionária e lançamento na órbita de transição lunar.
O geoestacionário é uma órbita popular para fins comerciais, onde 15 a 20 mísseis voam a cada ano. Ou seja, uma grande variedade e muitas oportunidades para passagem de voo. Mas são apenas 36 mil km e você precisa voar dez vezes mais para a lua.
A órbita de transição lunar é um lançamento em direção à lua quase na segunda velocidade cósmica. Esses lançamentos acontecem uma vez por ano. China, Índia, Japão, Rússia, Coréia do Sul lançam ou estão prestes a lançar a Lua na lua, e há alguma chance de pular na cauda de alguém. No entanto, lançamentos científicos complexos são constantemente adiados, para que você possa concordar com um voo conjunto, criar um satélite e esperar vários anos pela disponibilidade da carga principal. A opção ideal é a entrega imediata de nosso dispositivo à órbita lunar - não consideramos, devido à baixa probabilidade de encontrar uma "viagem" adequada.
Duas opções de lançamento requerem dois sistemas de propulsão diferentes, com diferentes reservas de combustível. A massa inicial das duas versões dos dispositivos foi duas vezes mais diferente e a versão "geoestacionária" saiu com quase 200 kg - isso não é mais um microssatélites. Os motores foram considerados hidrazina de dois componentes (hidrazina / tetraóxido de nitrogênio), como o mais eficaz do produto químico para uso no espaço. Íon, os motores a plasma não foram considerados devido ao alto custo, às grandes dimensões das células solares e às dificuldades de controle e navegação.
O resultado foi um aparato bastante complexo, bastante comparável ao que poderia nascer no departamento de design de empresas estatais.
Diferenças nas órbitas dão origem a outra diferença - nos meios de transmissão de informações. Apesar de repetidas experiências com comunicações a laser no espaço, a comunicação via rádio continua sendo o principal método de transmissão de informações no espaço. Quanto mais próximo o dispositivo da Terra, menor o seu complexo de rádio, seu consumo de energia e tamanho da antena. Portanto, o pequeno CubeSat próximo à Terra pode transmitir com segurança telemetria e até fotos para radioamadores na Terra, possuindo uma área muito pequena de painéis solares e uma antena omnidirecional da roleta do marceneiro.
Se quisermos trabalhar perto da Lua e transmitir grandes quantidades de dados, teremos de cuidar de uma placa de antena pontiaguda com um diâmetro de pelo menos meio metro e painéis solares com uma área de cerca de um metro. A recepção na Terra não pode mais ser fornecida ao fio a partir da folha da janela - estações sérias serão necessárias com antenas com um diâmetro de vários metros e, de preferência, várias dezenas de metros. Existem apenas algumas estações na Rússia, dezenas no mundo, e todas estão ocupadas com seu trabalho. É muito improvável que recebamos antenas de 64 ou 32 metros.
Pelo menos você não pode confiar nisso. Você pode economizar em meios terrestres aumentando o diâmetro da antena no dispositivo. Mas a cada 10 cm de diâmetro da antena ou a magnitude das baterias solares do satélite afetam significativamente suas características de massa inercial, requerem mais combustível e consumo de energia para os sistemas de orientação. As necessidades de energia aumentam os painéis solares, a massa de baterias, o que leva a um aumento na massa e no crescimento de tanques de combustível - e assim por diante ad infinitum ... Portanto, o desenvolvimento da tecnologia espacial é um compromisso eterno.
Para economizar peso, limitamos o diâmetro da antena a 40 centímetros, na esperança de que, no momento do lançamento na Terra, encontremos uma antena receptora de 12 metros ou mais. E melhor três, em diferentes continentes. Se não o encontrarmos, teremos que transmitir dados a uma velocidade muito baixa: dezenas de kilobits por segundo, mas a recepção estará disponível para o rádio amador.Orientação corretaA orientação no espaço é o próximo problema. A Terra pode usar um campo magnético, aerodinâmica ou outras técnicas. Os motores de foguete permanecem no espaço interplanetário, mas há outra ferramenta que fornece orientação de alta precisão e permite controlar efetivamente a posição do dispositivo em relação ao seu centro de massa - motores de volante. São motores elétricos com rodas maciças que, ao girar, contribuem para girar o dispositivo na direção oposta. Para orientação em três eixos, são necessários três motores com volante, mas geralmente eles colocam quatro - um para a reserva.
Os motores com volante precisam apenas de eletricidade para operar, mas só agem quando ganham velocidade ou quando são extintos. Em algum momento, o volante ganha velocidade máxima e se torna inútil; depois, deve ser “descarregado”, travado para que o dispositivo não perca sua orientação no espaço. Em seguida, para descarregar, também são utilizados motores de foguete, que devem ser motores com impulso muito baixo, para não causar forte rotação do dispositivo. Às vezes, os motores de foguete do sistema de orientação são usados a gás - no gás comprimido comum, como o mesmo extintor de filme, existem outros projetos: foguete termocatalítico ou elétrico (plasma, íon).
Nosso projetista permanente do microssatélite lunar Peter Kudryashov se propôs a minimizar a massa do dispositivo. Para esse fim, na última iteração do projeto, eles decidiram abandonar o vôo da órbita geoestacionária, concentrando-se apenas na junção lunar. Outra solução foi a substituição de motores. O sistema de propulsão de marcha de dois componentes tem alta potência e não é adequado para descarregar volantes, portanto o satélite precisava de um segundo sistema de propulsão para orientação. Isso complicou e agravou o projeto. Peter encontrou uma solução alternativa - colocar motores termocatalíticos monocomponentes de impulso médio. Quatro motores fornecem um impulso adequado para alterar a velocidade orbital, e espaçá-los nas laterais permite orientar o dispositivo em inclinação e guinada , a rotação do rolo é controlada por dois motores adicionais de baixo impulso. Esta decisão parece ser um compromisso, mas também há desvantagens que ainda precisam ser contornadas.Surgiram dificuldades ao tentar conciliar motores de foguete e volantes. Os volantes selecionados, que apresentam bom desempenho em veículos próximos à Terra da nossa escala, eram muito fracos para compensar a velocidade de rotação definida pelos motores de foguete em nosso circuito.
O momento de rotação de um motor de foguete em inclinação e guinada pode ser reduzido movendo o motor para mais perto do centro, mas depois outro problema se intensifica. Redução de alavancagem, ou seja, a diferença entre o eixo do motor e o eixo central do aparelho levará ao fato de que cada operação de descarga dos motores do volante levará a alguma mudança na órbita do satélite, e a mudança mudará, porque o impulso do motor de foguete é instável e depende da pressão no tanque de impulso.O principal fator que afeta o design da espaçonave, suas dimensões, potência do motor e o tamanho dos painéis solares é a carga útil. I.e. dispositivos para obter informações a partir das quais todo o lançamento é realizado. No nosso caso, este é um telescópio e um fotossistema para fotografar a superfície da lua. Com ele, também houve mudanças que afetaram o design do dispositivo, mas este é um tópico para outra discussão. Em geral, as mudanças são positivas - o telescópio foi reduzido, mas a mudança levou a uma revisão significativa do projeto, que novamente levou tempo.
Sobre os recursos de fotografar a lua, ainda vale a pena conversar separadamente.
Espero que em breve o projeto preliminar do microssatélite lunar seja concluído e possamos compartilhar os resultados generalizados do trabalho de três anos +.