Полеты наяву: Вышка запускает в космос собственный спутник

До конца 2020 года планируется вывод на околоземную орбиту первого спутника ВШЭ, который займется дистанционным зондированием Земли. Разработка и создание спутника – результат долгой работы специалистов и студентов МИЭМ НИУ ВШЭ, а также учащихся Лицея НИУ ВШЭ в тесном взаимодействии с компанией «Спутникс», образовательным центром «Сириус» и компанией «Сканэкс».

МИЭМ, ведущий свою историю с 1962 года, еще в советский период принимал участие в многочисленных проектах, связанных с освоением космоса. В 2015 году в институте была создана  учебно-исследовательская лаборатория функциональной безопасности космических аппаратов и систем, при которой стал формироваться собственный Центр управления полетами (ЦУП) малыми космическими аппаратами (МКА) для приема и обработки данных, получаемых в режиме реального времени.

В первый год существования лаборатории в МИЭМ не было специалистов, имеющих нужные навыки и знания для решения столь сложной задачи, как конструирование собственного аппарата и управление им во время эксплуатации. Ведь современный кубсат – конфигурация сложных и защищенных от космических воздействий «умных» элементов и устройств, которые должны исправно работать сами и корректно взаимодействовать друг с другом. Для решения такой сложной задачи совместно с российской компанией «Спутникс» в МИЭМ появилось современное учебное оборудование, являющееся разработкой компании. Была сформирована группа студентов, сотрудников и лицеистов – единомышленников, объединенных общей идеей. Обучение основам разработки, проектирования, сборки, испытаний и эксплуатации аппарата проходило при помощи специалистов компании на учебном конструкторе ОрбиКрафт, а для отработки навыков тестирования систем использовался учебный стенд полунатурного моделирования, также созданный в компании «Спутникс».

Стенд полунатурного моделирования

Параллельно с этим шла работа по определению задач на орбите. В качестве приоритетного направления было выбрано дистанционное зондирование Земли с целью мониторинга экологического состояния поверхности планеты из космоса. Казалось бы, проблемы экологии во всем мире воспринимаются обществом как одни из самых острых, но на сегодняшний день существует нехватка актуальных и открытых спутниковых данных для экологического мониторинга, недостаточной частоты обновления таких данных, отсутствия доступной спутниковой системы ДЗЗ.

Исходя из задач, была определена конфигурация будущего спутника, где главным устройством станет уникальная камера отечественной разработки для фотосъемки. При сверхмалых габаритах камера может осуществлять съемку с расстояния до 600 километров (рабочая высота спутника – 535 км от поверхности Земли) с разрешением 1280х960 пикселей, фокусным расстоянием 70 мм и пространственным разрешением 8 м с высоты 600 км. При этом вес камеры составляет 400 г.

За время работы бывшие бакалавры успели стать магистрантами и квалифицированными инженерами, лицеисты – студентами бакалавриата МИЭМ. Сегодня это команда специалистов, готовых решать нетривиальные технические задачи. В лабораторию пришли новые студенты и лицеисты, активно включившиеся в процесс.

Кубсату МИЭМ не будет одиноко на орбите, вместе с ним будет запущен спутник, совместно разработанный коллективом лаборатории и школьниками-участниками программы «Большие вызовы» образовательного центра «Сириус». Два аппарата строились одновременно и во многом идентичны, даже названия похожи: CubeSX-HSE и CubeSX-Sirius-HSE. Весь прием телеметрии со спутника образовательного центра будет осуществляться Центром управления полетами МИЭМ НИУ ВШЭ.

Дмитрий Абрамешин, ведущий инженер лаборатории

Все это время не хватало главного своего аппарата на орбите, чтобы поместить студентов в «боевые условия». Разработка спутника, последующие реальное управление им, прием и обработка данных – лучшая возможность для закрепления теории и получения практических навыков. Теперь это время пришло!

Cube – это кубсат, сверхмалый искусственный спутник Земли. Размеры такого аппарата измеряются в юнитах (U); один юнит – не более 10х10х10 см. Сегодня в космосе множество аппаратов размерами 1U и более. Несмотря на малые размеры, кубсаты представляют собой сложные многофункциональные технические устройства, способные выполнять практические задачи широкого спектра: дистанционное зондирование поверхности и атмосферы Земли, радиолокационные исследования, оптический контроль и мониторинг состояния космического пространства, исследование тросовых систем и многое другое.

Ключевые достоинства кубсата – малые размер и вес. И если во всем мире специалисты постоянно работают над уменьшением «земных» устройств, то в космосе эта же задача имеет особое значение: чем меньше и легче аппарат, тем он дешевле, поскольку значительную часть его стоимости составляет вывод на орбиту. Появление столь малых аппаратов позволяет сегодня университетам, организациям запускать собственные спутники, в первую очередь в образовательных и исследовательских целях. Причем, что особенно важно, с помощью современных технологий вузы могут самостоятельно конструировать кубсаты, определять их функционал и конфигурацию, тестировать работу систем и даже производить некоторые детали на 3D-оборудовании.

CubeSX-HSE – малый космический аппарат (МКА) размером 3U. Он представляет собой конструкцию трех юнитов, укрепленных на единой раме. Один из юнитов отводится под блок маховиков, ориентирующих аппарат в пространстве, второй включает в себя все платы для работы спутника, а третий полностью отведен под полезную нагрузку – камеру для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Последнее особенно важно, поскольку кубсат ВШЭ предназначен для обеспечения учебного экологического мониторинга планеты посредством ДЗЗ.

Сразу после выхода на орбиту CubeSX-HSE начнет передавать информацию в Центр управления полетами, где заканчиваются все организационные и подготовительные работы, оборудованы рабочие места для операторов центра, которыми станут в том числе студенты. Ребята будут решать повседневные практические задачи, среди которых оперативное управление спутником, обеспечение приема телеметрической информации при малой высоте спутника над горизонтом, расчёта необходимого сдвига частоты для компенсации эффекта Доплера, а также автоматической подстройки частоты при приёме и передаче с учётом этого сдвига. Это лишь часть списка. Занимаясь всем перечисленным, ребята смогут улучшить знания в области математики, программирования, физики, робототехники и разработки умных устройств, инженерии космических систем, защиты информации.

В лаборатории

Важное значение проект имеет для школьников. Сегодня лаборатория активно интегрирована в московские программы «Инженерный класс в московской школе», «ИТ-класс в московской школе», всероссийскую программу «Дежурный по планете», а также в проекты образовательного центра «Сириус», уже имеющего собственные кубсаты 1U на орбите. В рамках программы «Дежурный по планете» лаборатория станет базовой площадкой для проведения всероссийского конкурса Terra Notum, совместного проекта этой программы и конкурса «Высший пилотаж». Конкурс объединит исследовательские и инновационные проекты школьников в области инженерии космических систем и технологий.

Владислав Иваненко, генеральный директор компании «Спутникс»

Наше сотрудничество с Высшей школой экономикой – наглядный пример партнерства, полезного всем участникам проекта. Задачи, которые мы совместно решали несколько последних лет, с одной стороны, были наполнены новыми профессиональными вызовами для компании. С другой, очень приятно видеть, как на наших глазах и при нашем участии в университете появилось новое важное направление, где студенты и даже школьники смогут уже в годы учебы получить нужный и ценный практический опыт конструирования и управления спутником в реальных условиях.

К настоящему моменту в целом завершился монтаж приемо-передающей радиостанции УКВ-диапазона «Завиток-М», еще одной разработки компании «Спутникс». Комплекс обеспечивает приём телеметрии с малых космических аппаратов на низкой околоземной орбите и передачу команд управления на них в соответствии с регламентом любительской радиосвязи. На сегодняшний день проведены необходимые пуско-наладочные работы антенны, осуществлены тесты по приему телеметрии со спутников NOAA (полярно-орбитальные метеорологические спутники, предназначенные для съемки Земли).

Приемо-передающая радиостанция УКВ-диапазона «Завиток-М» на крыше МИЭМ

Обработка информации – отдельная и важная часть общего процесса, которая будет проходить в тесном сотрудничестве с компанией «Сканэкс». Это единственная в России компания, осуществляющая непосредственный прием и обработку данных ДЗЗ на собственную сеть станций по уникальным технологиям посредством геопортальных сервисов. В настоящее время начинается подготовка специалистов лаборатории в рамках обучающих программ компании, направленных на освоение знаний и навыков, необходимых для обработки данных.

Марина Сергеева, заместитель генерального директора компании «Сканэкс» ​​​​​​​

Студенты – это те, кто в будущем придет к нам на работу. Поэтому мы крайне заинтересованы в том, чтобы смотреть в одном направлении, отвечать потребностям друг друга. К тому же интересно работать с таким бурно развивающимся университетом, как НИУ ВШЭ. Вам все интересно! А нам нравится эта творческая инициативность в образовательной сфере – ввести новые направления, завязать новые контакты, развить рынок труда в новой сфере и вывести туда своих выпускников. Мы готовы это поддерживать! Сотрудничество с университетом – это всегда вызов для компании. Мы понимаем, что существуем не раздельно, создаем продукцию не для себя, не для абстрактного потребителя, что наши наработки, наше производство оценивает придирчивый эксперт первого уровня. Этакий нелегкий тест на «выживаемость»!

Спутник ВШЭ уже собран и в настоящее время проходит ответственную и важную стадию проверки работоспособности всех систем. На стенде полунатурного моделирования успешно проведены функциональные испытания, все служебные системы работают исправно. Впереди – квалификационные и летные испытания аппарата.

Желаем удачи команде лаборатории в этот ответственный период!