Космические системы становятся персональными, а серверы космическими. Зачем RUVDS свой пико-спутник

Вступление

Совсем недавно вы могли видеть новость о том, что RUVDS запустит свой сервер в космос ^[1]. Могли и не видеть, но сейчас сходите посмотреть, чтобы понять о чём речь. Но если лень читать, процитирую:

Хостинг-провайдер ^[2] RUVDS и компания «Малые космические системы» разработают спутник-сервер, размер которого составит 5 на 5 см. Об этом сообщили ТАСС в компании RUVDS.

Так вот, я ко-фаундер или как теперь стоит говорить соучредитель Малых космических систем и хочу вам рассказать подробнее о том, что это за спутник TinySat размером 5 на 5 см (Забыли ещё один размер — 5 × 5 × 5 см, так что речь о кубике, а не о квадратике).

Существующие пико-спутники

Все знают, что такое КубСаты, было масса материала и на хабре и вообще их запуски — это уже обычное дело. Только РФ за последние 3 года запустила 9 кубсатов:

1. 05.07.2019 — «Сократ», «АмурСат» и «ВДНХ-80». МГУ, АмГУ и МГУ соответственно. Ну ВДНХ, ок, можно не считать он не очень-то и студентческий;
2. 28.09.2020 — «Декарт», «Норби» и «Ярило». МГУ, НГУ, Бауманка;
3. 22.03.2021 — CubeSX-HSE и CubeSX-Sirius-HSE. ВШЭ и центр «Сириус».

Рисунок 1. Состав студенческой группировки Универсата

И если кубсаты — это нано-спутники массой от 1 до 10 кг. Хотя вполне встречаются кубсаты и тяжелее 10. То вот TinySat это уже однозначно пико-спутник. Пико спутники весом от 0,1 до 1 кг.

Форм-фактор кубсатов стал настолько популярным, что практически стал катализатором NewSpace экономики и доступа частных компаний-стартапов в космос. Каждый второй кубсат, запущенный в космос, теперь коммерческий. Но родился то этот формат ради науки! А тут пришли коммерсанты, и давай выкупать все места на ракетах.

Учёные люди пытливые, и в ответ на эти непотребства решили придумать форм-фактор ещё меньше. И придумали PocketQube ^[3]. По размеру он ещё меньше кубсата, и занимает примерно 1/8 часть. Это кубик с гранью 5 см весом до 250 граммов. На самом деле придумали его не вчера, а ещё в 2009 году (Через десятилетие после кубсата), первые покеткубики полетели в 2013 году, и с тех пор их было запущено не более десятка.

Иначе говоря, если провести аналогии, то традиционные геостационарные аппараты — это десятки миллионов долларов, традиционные низколёты — просто миллионы, кубсаты — это сотни тысяч, а вот покеткубы — это уже десятки тысяч, а то и тысячи долларов. Например, мой самый любимый проект $50Sat — это именно покеткуб. Стоить он должен был судя из названия — 50$, но обошёлся в 200$, что лишь подтверждает тенденцию космических проектов увеличивать бюджеты в четыре раза даже для таких маленьких проектов.

В рядах пико-спутников ещё нет де-факто стандарта такого как кубсат, но ПокетКубы, как претендент — лидирует в этом форм-факторе. Хотя встречаются и кубсаты размером меньше 0,5U, которые тоже попадают в эту весовую категорию.

Посмотрим на парочку примеров.

▍ $50Sat

Это мой любимый пример, потому что в нём чувствуется дух старой школы. Такой настоящий спутник из гаража. Это именно то, что мы хотели бы принести своим стандартом, но о нём попозже.

Рисунок 2. Внешний вид $50Sat

Основная цель проекта 50$Sat — создание доступной по цене платформы для получения студентами реальных навыков работы с космическим аппаратом. КА был успешно выведен на орбиту РН Днепр 21.11.13 в составе КА UNISAT-5 (МКА, который, в свою очередь, нёс на себе несколько кубсатов и покеткубов).

Вся документация по КА открыта и доступна на сайте проекта 50dollarsat.info

▍ Swarm

У компании Swarm очень интересная история. Сначала FCC (Американская комиссия по коммуникациям) не хотела давать им разрешение на пуск аппарата, так как на тот момент это был самый маленький спутник и были опасения, что его невозможно будет отследить.

Тогда компания в обход запрета на пуск запустила спутники с индусами. За что была оштрафована, но тем не менее продемонстрировала и то, что спутники прекрасно отслеживаются, и то, что в таком форм-факторе реально собрать спутники для коммерческого использования.

По факту у компании Swarm сейчас самые маленькие спутники, которые уже оказывают коммерческую услугу — ¼U (11 x 11 x 2.8 cm, размеры чуть больше привычных 10×10, потому что они ловко используют возможности пусковых контейнеров. Видно на фото).

Рисунок 3. Внешний вид КА SpaceBEE 0.25U CubeSat компании Swarm

Про этот проект есть подробная статья на хабре ^[4], поэтому про него много писать не буду.

Почему TinySat?

Что же тогда из себя представляет TinySat, и почему мы говорим о нём как о стандарте/форм-факторе, а не просто как об экземпляре пико-спутника?

Узкое горлышко многих пико-спутников — это доставка в космос. Сам-то спутник можно сделать за копейки (В космических масштабах), а трудности возникают, когда хочется отправить его в космос. Решение с половинами или четвертинами кубсатов достаточно удачное и могут использовать существующую инфраструктуру запуска кубсатов, но не всем проектам подходит плоская компоновка.

А первый по популярности форм-фактор ПокетКуб для запуска использует направляющую пластину и поэтому требует собственного пускателя. Такой есть у английской компании Alba Orbital и у института Гаус, который собирает образовательные кубсаты и покеткубы и запускает их с космического аппарата-носителя. Это серия космических миссий Unisat (Не путать с нашим универсатом! См. часть про $50Sat).

Собственно наше «ноу-хау» состоит в том, что мы придумали использовать для запуска пико-спутников кубсат-носитель и его пусковую инфраструктуру, а по размеру сделать стандарт, совместимый с ПокетКубом. Поэтому возможностей запуска станет столько же, сколько у кубсатов. Т.е. если не на каждой ракете, то на каждой второй. И спутник по-прежнему можно будет сделать в гараже.

Рисунок 4. Процесс доставки Тайнисатов при помощи материнского спутника CuneSat

Первый такой кубсат отправится в космос в 2023 году с грузом образовательных тайнисатов, полезную нагрузку для которых придумывали школьники в рамках проекта Space-π Фонда Содействия Инновациям. И сейчас большую его часть составляет, вполне обыкновенный кубсат. Во-первых, можно рассматривать его как некую космическую лабораторию, которая будет с минимального расстояния контролировать первые тайнисаты, во-вторых, это же и видео-оператор, который должен заснять процесс доставки первых тайнисатов. В-третьих, он может выполнять функции ретранслятора, если в расчёте или реализации бортового радио были допущены ошибки.

В последующем соотношение доставляемых тайнисатов к бортовым системам кубсата-носителя будет сокращаться, вплоть до заполнения всего объёма кубсата тайнисатами, а управляющая электроника отправится на боковые стенки. Мы тоже умеем хитро использовать доступное пространство в пускателях кубсатов.

Что включает базовая комплектация

Несмотря на размер, спутник включает функционально все системы, которые есть у спутника.

Рисунок 5. Общий вид базовой комплектации Тайнисата

Это и бортовой компьютер, и система ориентации, и система питания и радио и управление полезной нагрузкой и средства обеспечения теплового режима.

Да, конструктивно они сильно проще, чем у «взрослых» братьев, но для проектирования их все надо иметь в виду.

В качестве платы управления полезной нагрузкой используется готовый компьютер NanoPi NEO ^[5]. Поэтому свои идеи вы можете реализовывать в стиле проекта на Распбери Пи. Ну и чтобы не скучно было, в базовую конфигурацию включена простенькая камера. Такая идея.

Дальше пару слов о подсистемах, но без конкретики. Не то чтобы это была большая тайна, но просто мы сами пока окончательно не определились с составом. В наш первый полёт помимо самого сервера RUVDS полетит три версии базового блока. Кроме того, идеология стандарта и родство с ПокетКубом как бы приглашает взяться за какой-то из узлов и сделать его самостоятельно.

▍ Бортовой компьютер

В качестве бортового компьютера рассматриваются микроконтроллеры общего назначения. На трёх демонстрационных тайнисатах будут варианты как с ардуино, так и с популярным микроконтроллером семейства СТМ.

Главное отличие от более взрослых спутников тут скорее в том, что весь спутник рассматривается как один прибор, и, соответственно, для обмена между подсистемами применяются интерфейсы I2C, SPI, UART, а не более сложные CAN, RS и т.д.

▍ Система ориентации

В базовой комплектации мы рассматриваем три основных варианта ориентации. Первый самый простой — её отсутствие. Второй — пассивная магнитная ориентация, когда на спутник устанавливается постоянный магнит таким образом, чтобы спутник был сориентирован в магнитном поле Земли нужным образом в регионе с наземной станцией. И третий — активная магнитная ориентация.

Этот вариант хорошо зарекомендовал себя в кубсатах и вполне реализуем и в тайнисатах. Так как места в спутнике не сказать, что много, то магнитные катушки вытравлены в печатных платах солнечных панелей.

В дальнейших планах есть идеи использовать и маховики. Такие опыты уже проводили с ПокетКубами, значит, и с тайнисатами получится. Тут главное помнить, что аппарат весит меньше килограмма, поэтому и маховики для его ориентации нужны довольно миниатюрные. Не нужно представлять себе колёса размера даже как у кубсатов. Скорее надо представить себе моторчики самых маленьких квадрокоптеров.

Также можно подумать и об использовании различного рода движителей. Опять же, для ПокетКубов такие эксперименты проводились. И именно для этого нужны пико-спутники — снизить цикл разработка–наземные испытания–натурные испытания в космосе. После которого уже можно масштабировать технологии на бОльшие космические аппараты.

▍ Система электропитания

Тут отличий от кубсата практически нет. В качестве генератора электрической энергии используются солнечные панели, хранится энергия в литий-ионных аккумуляторах. Но если на кубсатах распространены 18650, то в тайнисат такой аккумулятор не влезет. Но среди стандартного типоряда есть элементы 18350, которые уже влезают без всяких препятствий.

Хотя стоит признаться солнечные панели — это одна из самых сложных частей всего проекта. Потому что в базовый кубик стандартные космические призмы 40×80 не влезают. А это самый массовый элемент. Зато он прекрасно влезает на спутник размером в два кубика.

▍ Бортовое радио

Всё чаще мы видим, что в качестве бортового радио на ПокетКубах применяются чипы для IoT американской компании Semtech с применением протоколов IoT. Мы тут не стали исключением, так как управляться первые спутники будут в радиолюбительских диапазонах, то такие SDR-на-чипе, как SX1278 — подходят отлично.

▍ Средства обеспечения теплового режима

Это одна из самых вырожденных систем на нано- и пико-спутниках, так как они невелики по объёму и по массе. Тем не менее в составе спутников есть литиевые элементы, которые совсем не заряжаются при отрицательных температурах. Поэтому все средства обеспечения сводятся к двум вещам:

Моделированию теплового режима, который подтверждается тепло-вакуумными испытаниями. И настройка подогрева аккумуляторов.

▍ Полезная нагрузка

Ну и напоследок самое вкусное. А какие же задачи могут выполнять такого рода спутники? Понятна их ценность как DIY-комплекта, готового для сборки в гараже и запуск просто потому, что это круто!

Сюда же можно отнести и работу со спутником как таковым, т.е. обучение процессу разработки, изготовления, испытания, эксплуатации и вывода из эксплуатации спутниковой системы. Тайнисат — это дешёвая альтернатива, на которой аэрокосмические инженеры могут выполнять свои дипломные проекты. Так, первая партия тайнисат запускается в образовательных и исследовательских целях.

Рисунок 6. Полный жизненный цикл космической техники «из гаража»

Но в то же время на примере ПокетКуба мы видим, что в таком форм-факторе уже есть спутники для съёмки земли, спутники для связи и, в частности, интернета вещей. Масса технологических экспериментов. Как говорил классик И. В. Гёте: «Лишь в ограничении познаётся мастер» 😊

Как контроллер, на базе которого разрабатываются полезные нагрузки, взята Raspberry-Pi’подобная плата — NanoPi NEO ^[5]. Конечно, хотелось бы использовать прямо RPI, но в базовый кубик она не помещается. А NanoPi идеально подходит по габаритам и достаточно хорошо описан.

Космический сервер RUVDS

Индустриальным партнёром одного из тайнисатов первого пуска стала компания RUVDS.

Космический сервер — это хороший пример космического эксперимента, в котором проверяется концепция и функционал, а не конструкция. Очевидно, что это не сервер в 19 дюймовой стойке. Но на NanoPi вполне возможно будет поднять простенький веб-сервер, запросить страничку с которого сможет любой радиолюбитель. Опытные радиолюбители разберутся сами, а для новичков мы опубликуем дальше всё то, что нужно сделать, чтобы собрать станцию у себя дома. По сути, это проект приёмника на RTL-SDR ^[6].

Почему компания отказалась от предыдущего плана провести космический эксперимент на отдельном кубсате? По той же причине. Ни тайнисат, ни кубсат не смогут в полной мере заменить профессиональное серверное оборудование, а проверить функциональные решения на тайнисате можно гораздо дешевле. Тем более в случае с кубсатом функции пришлось бы делить с другими полезными нагрузками спутника, а в случае пико-спутника моделируется ситуация полноценного спутника, который целиком выделен для решения поставленного космического эксперимента.

Однако, так как главным требованием в сервере, пусть и не очень мощном, является аптайм — для реализации будет использован вариант тайнисата из двух блоков. На них будет стоять привычные солнечные панели 40×80, которые обеспечат большую энергетику.

Не стоит ждать от такого сервера новейших страниц на много мегабайт. Скорее всего, будет что-то попроще. Читатели постарше вспомнят интернет времён диал-апа, а молодые читатели смогут прочувствовать на себе то золотое время, когда приходилось ждать коннекта, который мог и не случиться с первого раза, а странички открывались не спеша. Для имитации тех времён характеристик NanoPi хватит с лихвой.

Что из этого получится? Увидим ближе к испытаниям космического аппарата.