Школьники из небольшого российского города освоили создание и запуск наноспутников формата Cubesat

В небольшом городе Курганинске Краснодарского края прошла научная конференция, одной из главных тем которой стала космическая программа Центра молодежного инновационного творчества (ЦМИТ) «Перспектива». Несмотря на скромное место проведения, речь там шла о совсем «нескромных» достижениях воспитанников и наставников данной организации. Похоже, что здесь школьники Кубани общаются со спутниковой и другой космической техникой на «ты».

Из провинции – к звездам

Курганинская «Перспектива» – далеко не единственная в своем роде. Подобных организации в России зарегистрировано около пятисот. Правда, согласно статистике Минэкономразвития, из них активно действует не более ста. И ЦМИТ «Перспектива», которым руководит инженер-радиофизик Кирилл Попко, входит в двадцатку лучших по всей России.


Он решил не ограничивать деятельность возглавляемой им организации только работой с детьми и профориентацией. Задачами Центра стали развитие наук и технологий, а также усиление инженерного потенциала в ряде отраслей. Изначально это были робототехника и информационные системы, но с 2018 года приоритетным стало развитие космической отрасли.

Задача по развитию космических систем была поставлена перед центром федеральным Фондом содействия инновациям. С 2018 года «Перспектива» успешно ее решает в сотрудничестве с ГК «Роскосмос», Сколковским институтом науки и технологий и образовательным центром «Сириус».

Лаборатории космических систем в ЦМИТ «Перспектива» и «Сириусе» создавались практически одновременно с разницей в пару лет. Обе эти организации занимаются подготовкой детей и молодежи в данной отрасли, поднимают ее престиж среди подрастающего поколения.


Помимо этого, Центр ставит перед собой задачи по поддержке работы группировки спутников, задействованных в рамках проекта «Space-П», направленного не только на популяризацию космических исследований среди школьников, но и на проведение космических экспериментов и дистанционного зондирования Земли. Часть спутников уже находится на орбите, а ожидаемая численность группировки должна вырасти до ста единиц. В 2020 году на встрече с премьер-министром РФ Михаилом Мишустиным была озвучена эта программа.

Интеллектуальная элита Российской армии

Еще одно из направлений деятельности ЦМИТ «Перспектива» – это проведение инженерных конкурсов. В течение двух лет Центр являлся оператором конкурса «Интеллектуальная элита Российской армии» (ИнтЭРА), направленного на кадетов и юнармейцев.

Два года конкурс базировался в Краснодарском крае, в военном технополисе «Эра» (Анапа). Непосредственно его курировал Фонд содействия инновациям, а работа шла на площадках «Эры» в плотном взаимодействии с представителем министерства обороны России.

Позже с развитием технополиса уровень секретности многих его объектов вырос, изменился их статус, поэтому допуск туда школьников стал нежелателен.

Тогда площадку перенесли в Подмосковье, на полигон Кубинка, где проводится «Танковый биатлон». И пока танки соревновались, шла застройка площади примерно три тысячи квадратных метров для последующего проведения инженерных конкурсов. Конкурс проводится по десяти направлениям: подводная, наземная, надводная робототехника, беспилотная авиатехника, спутникостроение, прием космических данных, разработка композитных материалов, программная инженерия, 3D-моделирование и виртуальный инжениринг. Другими словами, ребята занимаются разработками технических систем и материаловедением.

Здесь, в Кубинке, ребята проходят конкурсные мероприятия, а ЦМИТ «Перспектива» занимается организационными вопросами и вовлекает детей в это творчество.

Стратосфера – самая малоизученная часть ближнего космоса

Космическая программа ЦМИТ «Перспектива» в первую очередь связана с исследованиями ближнего космоса, самой малоизученной частью которого является стратосфера.

Эта часть атмосферы располагается на высоте от 16 до 100 километров от поверхности Земли. Данная область изучена мало, так как самолеты и другая аэротехника редко поднимаются выше 12 тысяч метров. Лишь некоторые аппараты в течение непродолжительного времени могут подниматься до стратосферы.

К примеру, в Нижнем Новгороде с аэродрома авиазавода «Сокол» любого желающего могут поднять в стратосферу на двухместной модификации истребителя МиГ-29. За штурвалом находится летчик испытатель, а в кресле второго пилота – пассажир. Самолет разгоняется до сверхзвуковой скорости 1800 км/ч и поднимается на высоту 17-19 километров. Там он находится несколько минут, после чего опускается ниже. При хорошей погоде в этот момент отсюда можно увидеть даже окраины Москвы.

Как рассказал Кирилл Попко, по своим характеристикам стратосфера резко отличается от более плотных нижних слоев атмосферы. Она гораздо ближе к той части космического пространства, где обычно летает наша спутниковая техника, то есть от 300 километров и выше. Давление здесь составляет примерно три процента от того, что мы ощущаем у поверхности Земли. Каких-либо частиц здесь очень мало, плотность крайне мала – это почти вакуум. На высоте от 16 километров температура снижается до минус 60 градусов. Уровень радиации здесь фиксируется в 60 раз выше, чем на Земле.

Из-за таких суровых условий техника, оказавшаяся в стратосфере, способна выйти из строя. Вычислительная аппаратура может страдать от вторичной радиации солнечного излучения. Высокоэнергетичные частицы, излучаемые Солнцем, вызывают радиоактивный распад водорода и легких соединений. Они способны прошивать бортовые системы, уничтожать их. К примеру, на флэш-карты, SD-носители, на которые информация просто не записывается.

Наноспутники формата Cubesat

Школьники из небольшого российского города Курганинска освоили создание и запуск наноспутников формата Cubesat 3U. Международный стандарт U (юнит) для спутниковой техники был введен в 1999 году в США. Одноюнитовый аппарат имеет размеры 100х100х113 мм. Обычно их используют для заполнения свободного пространства ракеты-носителя, которая выводит на орбиту большой аппарат с нестандартными габаритами. Его заполняют такими «кубиками». Они относительно дешевы и обладают массой около одного килограмма.

Себестоимость вывода на орбиту одного такого аппарата составляет примерно 60-80 тысяч долларов. Это вполне приемлемая сумма даже для крупного вуза, поэтому российские и зарубежные вузы запускают наноспутники.

3-юнитовый аппарат состоит из трех «кубиков», поставленных друг на друга. Внутреннее строение представляет собой своеобразные сэндвичи, состоящие из нескольких слоев. Здесь находятся бортовые системы спутника. Аппарат закрыт панелями, но не герметичен. Когда он летит, то анализирует окружающее пространство и передает данные о нем на Землю. Еще часть внутреннего пространства спутника занимает полезная нагрузка. К примеру, в одном из аппаратов это были два счетчика Гейгера, подготовленные для Краснодарского политехнического университета. С их помощью проводились исследования бэта- и гамма-излучения в стратосфере.


Испытательный пуск таких аппаратов проходил в 2021 году, а наземные испытания проводились еще раньше. Эта техника была продемонстрирована специалистам «Роскосмоса», которые провели ее испытания в в 2019 году в Лаборатории космических систем ОЦ «Сириус». После получения от них сертификата качества, ЦМИТ «Перспектива» начал готовиться к стратосферным пускам. Стратосферу выбрали потому, что туда запускать аппараты дешевле, чем в дальний космос, а целью было сделать такие пуски доступными для молодежи.


- пояснил Кирилл Попко.

В настоящее время Центр разрабатывает уже четвертое поколение такой техники, ее запуски происходят каждый год. Старт аппаратов не только является увлекательным зрелищем, но и приносит ощутимые результаты. К исследованиям активно привлекается молодежь. И чаще всего тот, кто однажды увлекся этой темой, не уйдет от нее никогда.

Как рассказал Кирилл Сергеевич, все ребята, которые занимались этими проектами, сейчас учатся в Бауманском университете или в академии Можайского, поступив на факультеты ракетостроения или космической техники.

Антенные комплексы

В «связке» со спутником после его запуска работает наземная мобильная станция, способная действовать на удалении до 50 километров. Ее располагают в точке пуска, а затем она может двигаться за аппаратом на автотранспорте. Тогда мы получаем в прямом эфире картинку со спутника.

В ходе запуска применяется также патч-антенна, которая работает на близком удалении, около 20 километров, и используется для приема видеосигнала со спутника, эта антенна обладает большей диаграммой направленности нежели антенны Yagi. Когда местоположение спутника уже определено, мы направляем на него антенну Yagi, которая служит для приема телеметрии. Информация поступает на блок приема, который подключается непосредственно к смартфону. И в мобильном приложении можно видеть координаты летящего спутника.


Антенны используются воспитанниками ЦМИТ «Перспектива» также и для того, чтобы поддерживать связь с группировкой спутников, о которой упоминалось ранее. Когда в окрестностях города пролетают космические аппараты, центр принимает с них снимки. Таким образом, ребята самостоятельно строят антенны, собирают их и через специальное приложение связываются с пролетающими в определенное время спутниками. Как правило, это происходит утром до девяти часов или после 18 часов. В эти временные промежутки они пролетают в районе Курганинска.


- рассказал Кирилл.

«Живая батарейка» и другая полезная нагрузка

С одной стороны, запуски наноспутников – это инженерная деятельность, с другой – услуга, которую оказывает заказчикам ЦМИТ «Перспектива». С Центром работают различные вузы и другие организации, которые создают свою полезную нагрузку и оплачивают ее размещение на борту аппаратов.

К примеру, ранее уже упоминалось о счетчиках Гейгера, которые запускали в стратосферу. В 2022 году осуществлялся запуск четырех аппаратов с биологической нагрузкой для проведения биотехнологических исследований.

В спутник помещалась биокапсула, представляющая собой герметичный контейнер с крышкой. Внутри находились бактерии, помещенные в питательную среду. Побочным продуктом их жизнедеятельности является выработка электричества. В другой части внутреннего пространства находилась электроника, которую подпитывали бактерии. Таким образом, контейнер с бактериями выполнял функцию «живой батарейки».

Сейчас в качестве полезной нагрузки Центр разрабатывает видеокамеры. В этом проекте «Перспектива» сотрудничает с компанией НИЦ «Технологии», которая является производителем видеотехники. Ее образцы отправляются в стартосферу для испытаний работы данной техники в жестких климатических условиях.

Пуски аппаратов в стратосферу и рекорд России

В этом году в августе ЦМИТ «Перспектива» подъем стратосферного спутника на высоту 25 километров. Пуск проходил в Набережных Челнах (Республика Татарстан). Аппарат преодолел почти пятьсот километров, побывав в воздушном пространстве трех российских регионов, после чего зонд совершил посадку.

В тот день был установлен рекорд России по продолжительности пребывания летательного аппарата в стратосфере, так как наш спутник провел там 13 часов.
https://vk.com/video265133398_456239027

А в прошлом году в октябре был совершен пуск сразу четырех аппаратов. Мероприятие проходило в станице Отрадной Краснодарского края. Сотрудники ЦМИТ «Перспектива» вместе со школьниками, студентами, двумя инженерами из Томска, работающими сейчас в госкорпорации «Ростех», и учеными-биологами. Мне также довелось присутствовать при запуске аппаратов и в поисковой экспедиции после их приземления.

При старте его участники столкнулись с проблемами. Были сильные порывы ветра со скоростью 6-9 метров в секунду. Обычно в таких условиях пуск переносится, но заказчики, которыми в данном случае выступали министерство образования Краснодарского края и детский технопарк «Кванториум», настояли на том, чтобы старт не откладывать.

В итоге лопнула оболочка зонда, представляющего собой шар из латекса диаметром 3-4 метра, наполненный гелием. Изначально предполагалось запустить четыре аппарата на двух шарах – по два на каждый. Но в итоге запустили один зонд с четырьмя наноспутниками. Локацию сменили на станицу Удобную. Она окружена горами, поэтому ветер здесь был не такой сильный.

Подъем и дальнейший полет аппаратов прошел успешно. Весь процесс снимали камеры, расположенные непосредственно на зонде. Приемные антенны находились в горах, в ста метрах от места пуска. Впервые на практике ЦМИТ «Перспектива» спутники «догоняли закат», так как пуск был вечерний.
https://vk.com/video-213540021_456239033

Зонд направился в Карачаево-Черкесию. И хотя он улетел недалеко, всего лишь на 120-140 километров, последующая ночная поисковая экспедиция, начавшись около десяти часов вечера, заняла много времени. Разумеется, к этому этапу детей подключать уже не стали. Аппараты достигли плоскогорья на высоте примерно тысяча метров над уровнем моря. В итоге поиск завершился удачно, а найденная техника не получила никаких повреждений.

Кадровый вопрос

Школьники и молодежь – это практически неисчерпаемый кадровый резерв. Просто их нужно заинтересовать и активно вовлекать в работу с самого раннего возраста. Воспитанники «Перспективы» с удовольствием участвуют в ее проектах. Окончив обучение в школе, они продолжают его в ведущих технических вузах страны. Кирилл Попко говорит, что возглавляемый им центр намерен развивать и укреплять связку школа-центр допобразования-вуз.

Из числа выпускников ЦМИТ «Перспектива» примерно 98 процентов обучается в университетах Санкт-Петербурга и Москвы.

Некоторые из них, став инженерами, возвращаются в Курганинск и работают в ЦМИТ «Перспектива». Например, так произошло с Дарьей Пучковой. Изначально она занималась биологией, но впоследствии переквалифицировалась в инженеры. Сейчас Дарья является специалистом в сфере биотехнологий, нанотехнологий и радиофизики. Она работает в ЦМИТ «Перспектива» и выполняет там функции ведущего инженера.


Случаются и противоположные ситуации, когда человек, будучи уже на пенсии, имеет силы, обладает желанием передать свои знания и опыт другим. Речь идет о подполковнике авиации Владимире Антипове. Тридцать лет своей службы офицер посвятил космодрому Байконур. Там он участвовал в обеспечении пусков космической техники. После официального ухода на пенсию военнослужащий не захотел довольствоваться заслуженным отдыхом.


Сейчас Антипов активно популяризирует космические технологии и ракетостроение на Кубани. Под наставничеством подполковника ребята занимаются ракетомоделированием. Это направление появилось у Центра после того, как с ним начал сотрудничать Антипов. Для ребят это начальный уровень, пройдя который, они начинают заниматься более сложными системами.

https://vk.com/video-213540021_456239031