Что такое CubeSat?

Большой пост про спутники всё еще не готов.

Пока пост про маленькие спутники.

Кубсат (англ. CubeSat) — формат малых (сверхмалых) искусственных спутников Земли для исследования космоса, имеющих объём не более нескольких литров и массу в единицы килограммов.

С формальным определением закончили, кому было интересно сами уже загуглили не маленькие. А теперь я расскажу откуда они появились, зачем они появились, и какое вам до этого дело.

Структура стоимости космической миссии

Любая деятельность в космосе начинается с определения миссии, вот прям как в мотивационных книжках об капиталистах. Миссии могут быть сложными, как у Маска "Колонизировать Марс", могут быть попроще "Обеспечить Землю навигационными данными", или еще проще "Обкатать новую микросхему в условиях космического пространства", совсем простыми "Сделать <название страны третьего мира> космической державой" (Т.е. пустить спутник с флагом страны за минимум денег).

Когда мы говорим о коммерческих миссиях, то они гораздо утилитарнее, чем вопросы освоения космического пространства и могут звучать как "Обеспечить связью страну Х", "Обеспечить глобальной связью" (И опять привет, Маск!)

Дальше, когда определена космическая миссия определяется требования к ней. Сколько нужно космических аппаратов, какие они должны выполнять функции, сколько они должны работать, на каких орбитах и т.д.

Кроме требований есть и ограничения.

Из этих требований и ограничений рождаются уже требования непосредственно к космическому аппарату. Бюджет его массы, бюджет энергетики, бюджет радиоканала. Следствие всех этих торгов то, что каждый спутник уникален как снежинка.

Самая дорогая часть любой миссии - ракета, точнее запуск КА на орбиту. Обычно в медиа встречаются удельные стоимости на килограмм массы. Это примерно 3 - 12к$ за килограмм, в зависимости от орбиты назначения. Но такой подход порождает заблуждение, что если мы придумали такой легкий спутник, что нам понядобится не так много денег.

И вот тут начинается попадос. Если для решения нашей миссии нам нужна не какая попало орбита, а наша собственная, целевая, то будьте любезны оплатите весь пуск целиком. А это 35-60кк$

Табличка из Википедии для иллюстрации стоимостей:

При этом сам спутник в текущих реалиях может стоить от 10к$ до 5кк$ что по сравнению с пуском уже и не такие большие деньги. Что делать?

Автостопом по галлактике

Современный спутник, это не динозавр эпохи освоения космоса в несколько тонн, и хотя и такие сейчас тоже живут и здравствуют, множество прикладных задачь решаются гораздо более легкими аппаратами.

В таком случае возникает резонный вопрос. Ну вот нам наш спутник надо на определенную орбиту закинуть, стоить это будет, скажем 35кк$, но мы же оплачиваем всё пустое пространство. Может быть есть кто-то кому надо на такую же орбиту или похожую, или ему вообще орбита не важна?

Как правило в попутчиках дефицита нет. В таком случае запуск становится попутным (По английски piggyback), и запускают несколько спутников за раз. Стоимость пуска все участники делят между собой. Такой пуск усложняет конструкцию и полетное задание. И в стоимость пуска добавляются работы по адаптации КА.

Потому что всё легко отделяется только в Kerbal Spaсe Program, а в жизни очень много нюансов (С модами легко добиться нужного уровня головной боли).

Если за один пуск набирается 2-3 желающих, то пуск уже стоит подъемных денег для частных корпораций. Иногда случается так, что пуск оплачивает государство, и распродает свободное место гораздо дешевле, или вообще отдает бесплатно за идею! Обычно университетам и институтам. Но всё равно оставляет траты на адаптацию, а они не такие уж и маленькие.

Но всё равно как не исхитряйся, а пара сотен килограмм с каждого пуска всё равно остаются пустыми!

В этом акте на сцену выходит Cubesat

Два умных дядьки из Стэнфорда и Калифорнийского политеха подумали и решили. А что если мы как-то унифицируем адаптер для очень маленьких аппаратов, которыми сможем заполнять непотраченный бюджет массы ракеты?

С одной стороны, это задаст еще одно ограничение на проектирование аппаратов, они должны будут поддерживать этот интерфейс, с другой стороны просто исчезнет такое понятие как адаптация. Каждый новый спутник поддерживающий этот интерфейс получит её "бесплатно".

Так родилась спецификация CubeSat. Cube - от слова куб, Sat - от Satellite. Куб, потому что космические аппараты придерживающиеся этой спецификации состоят из кубов с ребрами 10 см, объемом 1 литр. Такой куб называют юнитом (U).

Те два умных дядьки были Альберт Эйнштейн Боб Твигз и Хорди Пуиг-Суари и оба, конечно, ратовали за науку и обучение. Когда придумывали этот стандарт, они считали, что главное дать будущим космическим инжененрам опыт проектирования, изготовления и пуска космического аппарата, хоть маленького, но настоящего.

Никто не думал, что в такую мелочь можно запихнуть что-то коммерчески пригодное.

CubeSat сейчас

Но реальное, внедрение этого стандарта имело эффект сравнимый, с появлением Персональных Компьютеров. Стоимость запуска снизилась с миллионов долларов до нескольких десятков тысяч (ну почти как вторая бэха). И в эту нишу полились деньги.

Появились коммерческие фирмы, которые нашли коммерческое применение устройствам, занимающим такие малы объемы. Под давлением рынка стандарт был расширен, и если первоначально описывались спутники 1-3U, то сейчас появились спутники 6U, 12U.

Ну т.е. всё таки совсем такие мелкие сделать не получились, но посчитали, что увеличив пусковые контейнеры (Тот самый интерфейс, который по сути придумали многоувожаемые американцы) увеличат объем рынка и заработают "на воздухе" недозагруженных ракет.

В настоящее время, кубсаты это Клондайк космической промышленности. Появились такие стартапы как PlanetLabs, которые пытаются зарабатывать на этом деньги. Запущено множество научных аппаратов. Космические агентства поддерживают программы обуения, использующие этот стандарт.

Количество запущенных аппаратов увеличилось с первых двух, запущенных в 1998 гожу, до сотен, запускающихся ежегодно.

Плюсы и минусы

Практически обо всех плюсах так или иначе рассказал в ходе статейки, но вот список:

• Дешево. Типичный цикл разработки CubeSat'а включая испытания стоит около 100к$
• Стоимость пуска. Тоже варируется в пределах 20-60к$
• Количество пусков достаточно велико, ракет, не оборудованных пусковыми контейнерами, практически не осталось.

Минусы:

• Попутный запуск. Летите на орбиту по остаточному принципу
• Ограничены спецификацией, это конструктив и энергетика

Минусы стандарта породили совершенно уникальное течение и дали развитие сверхмалым ракетам-носителям. С грузоподъемностью всего 200-400 кг на солнечно-синхронную орбиту.