Запуск спутников в стратосферу глазами очевидца

В прошлом году «Добывающая промышленность» публиковала материал под заголовком «Созданные российскими школьниками наноспутники могут быть полезны геологам», который представлял собой интервью с Кириллом Попко – руководителем Центра молодежного инновационного творчества «Перспектива» города Курганинска Краснодарского края. На этот раз журналисту издания удалось лично присутствовать при запуске учащимися школ и их наставниками нескольких космических аппаратов, состоявшемся 16 октября 2022 года, а позже встретиться и узнать об их дальнейших планах.

Несмотря на заметные успехи, юные энтузиасты космической отрасли не намерены останавливаться на достигнутом и «пожинать лавры». Они продолжают строить далеко идущие планы, к реализации которых уже приступили.

Но об этом речь пойдет дальше, а пока хотелось бы немного рассказать о деталях «крайнего» запуска сразу нескольких космических аппаратов в стратосферу.

«Космос Здесь»

Это был не просто запуск аппаратов, а финал конкурса юных инженеров под названием «Космос Здесь», в котором участвовали школьники из разных мест Краснодарского края. Финалистами стали команды Kosmo mode, «Матрица 1», «Космос/МММ», «ЦМИТ Станция 1». Первая команда представляла город Курганинск, а остальные три прибыли из Краснодара.

Свой космический проект ЦМИТ «Перспектива» начал развивать в 2021 году. Вскоре к нему присоединилось Министерство образования и науки Краснодарского края, которое выступило главным спонсором конкурса и пуска.

Сначала кандидаты для участия в конкурсе прошли отбор, в ходе которого продемонстрировали свои навыки работы с электроникой, а также знания физики, математики, 3D-моделирования, программирования. Затем эксперты отобрали шесть команд, которые соревновались между собой. Они представили свои проекты проведения научных экспериментов в ближнем космосе.

Их них были выбраны четыре сильнейшие команды. Все они получили созданные ЦМИТ «Перспектива» инженерные наборы «Кубсат», из которых ребята собрали наноспутники. Далее они дополнили их бортовыми системами собственной разработки и биологической нагрузкой.

На двух аппаратах установлены капсулы с бактериями, еще на одном – с мадагаскарским тараканом. На четвертом аппарате нагрузка идет с прямым заделом на сертификацию в «Роскосмосе». Это гель для космонавтов, разработанный специалистами политехнического вуза. А капсулы с бактериями готовили ребята из Кубанского госуниверситета.

После всех подготовительных работ четыре команды прибыли к месту старта, чтобы запустить свои аппараты в стратосферу. Таким образом, в ближний космос отправились полноценные научно-исследовательские проекты кубанских школьников.

А в ноябре 2022 года прошла конференция в Краснодаре, на которой присутствовали ученые из нескольких вузов, представители отраслевых технологических компаний. Участники конкурса отчитались о проделанной работе, рассказали о достигнутых результатах, отвечали на вопросы научных руководителей других команд. Изначально там должны были назвать одного победителя, но в итоге решили никого особо не выделять, а наградить все четыре команды.

Финальный фестиваль и запуск аппаратов проходили в станице Отрадной Краснодарского края. Этот райцентр расположен в кавказском предгорье. Местная районная администрация предоставила в распоряжение организаторов запуска станичный стадион «Аметист». Правда, как оказалось впоследствии, он не стал стартовой площадкой для космических аппаратов, так как события неожиданно начали развиваться непредсказуемо и драматично.

К чему это все…

Как пояснил Кирилл Попко, мероприятие преследует далеко идущие цели. Одна из главных задач – популяризация технического творчества среди молодежи. Даже если кто-то из участников проекта просто научится отвертку в руках держать или гвоздь забить – даже это уже хорошо. Ребята приходят в такие центры как ЦМИТ «Перспектива», технопарки и начинают увлекаться каким-либо из направлений.

Важно, что они делают нечто такое, чего не могут их сверстники, доводят собственные проекты до конца, получают ощутимый результат.

Примечательно, что проект «Космос Здесь» объединяет несколько поколений: школьники, студенты, преподаватели вузов, представители отраслевых компаний. Все они взаимодействуют, работают над общим проектом, реализуют его.

Полёт разрешен

Выбор Отрадненского района и именно этой площадки связан с ограничениями по зонам полета. Ветер теоретически может отнести зонд в запретную зону, в этом случае его имеют право сбить, чего никто не хочет допускать. Если бы он был управляемым, его бы потребовали в таком случае посадить.

Но в нашем случае все службы оповещены, получено разрешение непосредственно от Росавиации. Эта зона считается «серой», а не «красной». То есть полеты здесь разрешены, их могли бы запретить лишь в случае проведения здесь каких-либо учений. Кроме того, место запуска выбрано так, чтобы зонд, в какую бы сторону ни полетел, не смог бы попасть в «красную» зону.

Спутники – на старт!

Изначально собирались провести официальную часть на стадионе, а затем здесь же произвести запуск аппаратов. События освещали ряд местных изданий – «Краснодарские известия», «Сельская жизнь», «Курганинские известия», а также представители телеканала ВГТРК «Кубань».

Согласно первоначальному сценарию, четыре космических аппарата, собранных талантливыми кубанскими школьниками, выводят в стратосферу два зонда, представляющие собой шары из латекса, надутые гелием. Каждый из них должен поднять в воздух специальную конструкцию в виде крестовины, на которой крепятся по два наноспутника типа Cubesat с полезной нагрузкой на борту и специальная аппаратура.

Самый тяжелый аппарат – курганинский, он весит 2,5 килограмма. Изначально техническое задание для участников предусматривало, что вес их спутников не будет превышать эту массу. Таким образом, максимальная расчетная полезная нагрузка для стратосферного зонда составляет пять килограммов. Остальные спутники весили 2, 1,6 и 1,8 килограмма, что соответствовало заданному ограничению по массе.

Для участников это было сложное условие, ведь всегда хочется поставить на аппарат что-то дополнительное, а тут приходится чем-то жертвовать.

Полет отслеживается при помощи двух наземных антенн, созданных сотрудниками и воспитанниками ЦМИТ «Перспектива». Одна из них связывается со спутниками, а вторая взаимодействует с аппаратурой, закрепленной на крестовине, где установлены специальные датчики. Они, как и другая техника, в обязательном порядке дублируются, так как условия для ее работы в стратосфере являются экстремальными.

Этот антенный комплекс относится ко второму поколению. Первая антенна, его прототип, установлена в Кубанском государственном технологическом университете. Она способна принимать данные с космических спутников, находящихся на орбите, фотографии земной поверхности.

По прибытии на место старта проверяется связь с аппаратами до их запуска. Этим занимается лично руководитель проекта Кирилл Попко. Проверка показывает, что антенны успешно улавливают сигнал со спутника.

Погода неустойчива, что типично для предгорья. Есть риск, что пойдет дождь. Этого не произошло, но усилился ветер, создав серьезные проблемы организаторам пуска аппаратов. Как пояснил Кирилл, ветреная погода не только создает трудности и помехи, но и дает дополнительные возможности.

Дело в том, что накачанный гелием латексный шар неуправляем и полностью зависит от силы и направления ветра. Именно перемещение воздушных масс определяет траекторию и дальность полета аппаратов. И чем сильнее ветер, тем большее расстояние покроет зонд с закрепленными на нем спутниками.

Как рассказал Кирилл, в процессе полета рассчитывается его приблизительная траектория. Разумеется, с погрешностью.

Сибирский десант привлеченных специалистов

В подготовке и самом процессе запуска очень важную роль играют два приглашенных специалиста из Томска. Это Никита Чебан и Марк Рудаков. Их основная задача – сборка зонда, созданного ими лично. Парни разработали собственную технологию проектировки воздушных шаров.

Они рассчитывают необходимое количество закачанного газа исходя из конкретных условий и задач. А во время полета зонда Никита и Марк сосредоточены на получении координат и телеметрии с воздушного шара. Таким образом, организаторы запуска ориентируются не только на свои данные, но и на информацию сибирских специалистов.

Конечно, напрашивается вопрос, почему на пуски ЦМИТ «Перспектива» приглашают именно Никиту и Марка, которые живут и работают в нескольких тысячах километрах от Краснодарского края.

Их сотрудничество началось случайно и спонтанно. Как-то раз Кирилл Попко разместил в соцсети новость о том, что в Курганинске дети участвуют в создании спутников и другой космической техники. Среди тех, кто поставил под постом свой лайк, оказались и сибирские специалисты. Иногда Кирилл просматривает, кто именно ставит подобные пометки под его постами. Возможно, на новость обратят внимание те, кто работает в смежной отрасли. Такой, как выразился Кирилл, «партизанский маркетинг».

Так вот, руководитель ЦМИТ заметил, что Никита и Марк запускают свои зонды. Тут же Кирилл предлагает им сделать не рекламный запуск, а запустить настоящий спутник. Изначально они собирались в 2021 году отправить в стратосферу зонд с логотипом телекоммуникационной компании. Оказалось, что Попко и директор этой компании в разные годы учились в одном и том же московском институте, в МФТИ. Все стороны сошлись во мнении, что запуск спутника на зонде – наилучший вариант, наиболее интересный. Пуск прошел успешно, а сотрудничество Никиты и Марка с ЦМИТ «Перспектива» стало долгосрочным.

Возможно, эти два парня из Томска – единственные в России, кто может самостоятельно изготавливать такие оболочки для воздушных шаров. Помимо этого, они оборудуют зонды бортовыми системами. Такая система записывает и передает местоположение шара, а также температуру, давление, влажность воздуха и другие параметры.

Оборудование включает в себя несколько видов связи, в том числе сотовую. По ней из стратосферы приходят смс-сообщения на телефон, где содержатся текущие параметры, измеренные датчиками. Другая система связи обеспечивает поступление этих данных на компьютер.

Подъем аппаратов и парашютная система

При расчете траектории полета учитывается, в числе прочего, скорость подъема шара и скорость его опускания на парашюте. С его помощью приземление аппаратов происходит очень плавно.

Парашютная система раскрывается после того, как шар лопнет. Это происходит в результате расширения гелия. На высоте воздух разрежен, поэтому при подъеме разница между внешним и внутренним давлением увеличивается. При этом стенки оболочки шара растягиваются, и в определенный момент он лопается. Тогда срабатывает и раскрывается парашютная система.

На первый взгляд, ничего сверхсложного. Но на самом деле, здесь используются сложнейшие инженерные расчеты. Ведь на то, когда лопнет шар и раскроется парашют, влияет множество факторов. В первую очередь, это материал, из которого изготовлена оболочка, и количество накачанного газа. Последнее рассчитывают исходя из поставленных задач, то есть от массы груза и от того, на какую высоту его надо поднять.

В частности, когда 16 октября прошлого года делали запуск из последней точки, вокруг были горы и много деревьев. В такой местности ветер способен турбулентно закручиваться. И если бы шар поднимался медленно, то во время подъема его могло бы сместить на деревья, и он запутался бы. Это было бы катастрофично, ведь шаров больше в запасе не оставалось, и запуск был бы отменен. Первые два шара лопнули в Отрадной – запуску помешал сильный ветер. Третий шар, запущенный в станице Удобной, был последним. Чтобы не сорвать мероприятие, подъем решили сделать более скоростным, и газа накачали побольше.

Впоследствии анализ показал, что шар поднялся быстро и практически вертикально. Вполне можно было и меньше газа закачать. Но так как в будущее организаторы пуска заглядывать пока не научились, то пришлось подстраховаться. И если бы рискнули, зонд смог бы подняться гораздо выше. Но решили для ускоренного старта газ чуть-чуть перекачать. Давление внутри шара быстро росло, его оболочка расширилась и лопнула.

Также следует учитывать, что изначально планировали поднять в стратосферу четыре аппарата двумя зондами, но остался только один. Он поднял сразу четыре спутника. Масса получилась больше, соответственно, и газа потребовалось больше. Поэтому шар лопнул раньше, сработал парашют, и аппараты начали спускаться. Годом ранее, в 2021-м, удалось поднять зонд на высоту 27 900 метров, а в 2022-м вынужденно ограничились отметкой 24 600.

Эти высоты рассчитывались приблизительно. Точные термодинамические формулы работают лишь до 12-километровой высоты. Кирилл сделал расчет четырьмя известными ему способами и даже придумал свой, пятый. Все они показали приблизительно одинаковый результат – 24,6 километра.

По предварительным расчетам, полет должен был продлиться примерно 2,5 часа, то есть полтора часа длится подъем и час — спуск. Зонд будет опускаться со скоростью три метра в секунду. Так что если поймать зонд руками, то травм не будет. Даже если аппарат опустится на крышу здания, он это сделает мягко и не повредит ее.

Предположили, что шар приземлится в районе села Водного под Невинномысском, в Ставропольском крае, но меняющиеся по скорости и направлению ветры внесли свои коррективы.

Живая батарейка

В качестве биологической нагрузки в корпус кубсата команды «ЦМИТ Перспектива» были помещены живые бактерии. Питательную среду для них предоставили специалисты Кубанского госуниверситета. Эксперимент очень интересный и перспективный для внедрения.

Эти бактерии вырабатывают электричество, по сути, выполняя функцию «живой батарейки». Пока что микроорганизмы вырабатывают микровольты, их мощности не хватит, чтобы подзаряжать аккумуляторы, но это уже большой задел на будущее.

Электроника, которая контролирует их работу, подключена к бортовой системе спутника. С ее помощью мы узнаем, как микроорганизмы себя ведут, как чувствуют.

Если бактерии разместить между внешней обшивкой аппарата и электроникой, они могут играть роль теплоизоляции.

Электроника в ближнем космосе

Стратосфера – это уже ближний космос. Там очень жесткие условия. Мы приближаемся к границе, где температура может достигать минус 60 градусов. Конечно, если подняться выше 50 километров, температура снова начнет расти.

Сотрудники и воспитанники ЦМИТ «Перспектива» тестируют электронику в вакуумных камерах при температурах от минус 80 до плюс 80 градусов. Это рабочие температуры для промышленной электронной аппаратуры. Транзисторам, например, подходят температуры до 150 градусов. Но для систем питания опускаться ниже нуля бывает уже критично. Правда, существуют аккумуляторы, которые не боятся холода.

Электроника, которую ученики и наставники успешно запускают, в дальнем космосе может быть уничтожена излучением. Даже в стратосфере этот фактор способен негативно влиять. К примеру, при одном из запусков использовали четыре модуля памяти, на одном из которых не удалось по возвращении прочитать флешку.

Не останавливаться на достигнутом

Основной принцип, на котором основана деятельность ЦМИТ «Перспектива», – не останавливаться на достигнутом и постоянно развивать свои наработки. В прошлом году запускалась третья модификация аппарата. И сразу после запуска уже началась разработка четвертой модификации. Причем речь не идет о небольших изменениях и мелких доработках. Каждое поколение аппаратов очень сильно отличается от предыдущего, можно сказать, кардинально. Платформа четвертой версии готова, идет работа над некоторыми дополнительными системами.

Воспитанники ЦМИТ «Перспектива» уже создали прототипы видеокамер, которые будут испытаны при следующем запуске спутника. Во время полета такая камера сделает снимки поверхности Земли и запишет их на SD-карту.

Помимо этого, построили блок маховиков. Это вращающиеся тяжелые диски, которые позволяют аппарату наводиться на звезды или Солнце. Ребята уже провели тестирование. Также создается блок катушек – система стабилизации и ориентации аппарата.

Важным дополнением станет блок нисходящей линии. Это радиомаяк, который работает на расстояние примерно 150 метров. Когда мы подходим к месту приземления, начинаем ориентироваться по нему.

Появится и новый модуль дальней связи, действующий на расстоянии до 50 километров. Он позволит наблюдать за тем, как летит аппарат.

Также планируется продолжение опытов с «живой батарейкой».

Возможно, ребята предложат какие-то свои эксперименты, которые также можно включить в программу исследований.

Новые полеты

Пуск, состоявшийся осенью 2022 года, является фундаментом для более длительных полетов. Есть планы в дальнейшем совершить полет продолжительностью в сутки, а впоследствии запустить аппараты на неделю.

Дело в том, что на разных высотах сила и направление ветров разные. Поэтому можно частично управлять зондом, если поднимать и опускать его на нужную высоту.

Этот принцип хотят опробовать на практике в Томске Никита и Марк. Они отработают примерно на километровой высоте спуск и подъем шара, проверят, как он будет слушаться базовых команд.

Важным нововведением должна стать система наземного сопровождения полетов. Пока зонд летит, его будут отслеживать три мобильные группы на автомобилях с приемными антеннами. Принцип действия системы заключается в том, что уровень сигнала косвенным образом связан с расстоянием от приемника до аппарата.

Каждая группа сможет определить примерную дистанцию до летящего зонда с погрешностью примерно в 10 километров. А так как группы будут располагаться треугольником, можно примерно понимать, где находится шар в реальном времени, и сопровождать его.

Эту технологию разработали на случай, если из-за санкций в России отключится американская система космической связи.

Собственно, кубанским энтузиастам космической отрасли сегодня очень сложно что-либо планировать из-за того, что в стране сейчас проходит специальная военная операция. Но, несмотря на это, они продолжают развиваться и совершенствуют свои проекты.