Разработка самарских студентов стабилизирует ориентацию пикоспутников в полете

Студенты Самарского университета им. Королёва, участники клуба молодежного аэрокосмического приборостроения "Космический градиент", разработали и испытали прототип системы стабилизации для пикоспутников - космических аппаратов, весящих менее одного килограмма и сопоставимых по размерам с обычной полулитровой алюминиевой банкой из-под прохладительных напитков.

Атмосферные испытания системы стабилизации прошли в ходе октябрьской пусковой кампании "Космического градиента" на территории университетского яхт-клуба “Аист” на волжском острове Проране. Всего в небо над Волгой были запущены три самодельные экспериментальные ракеты, которые вывели в атмосферу Земли на стометровую высоту три пикоспутника, собранных участниками клуба на основе разработанного в “Космическом градиенте” конструктора пикоспутников MiniSat, позволяющего в сжатые сроки освоить проектирование и программирование миниатюрных космических аппаратов. Двухмесячный интенсив по проектированию пикоспутников был организован в рамках программы развития студенческого научного сообщества "Космос для жизни" по итогам грантового конкурса Минобрнауки России, направленного на поддержку студенческих научных сообществ.

Системы ориентации и стабилизации являются важным компонентом устройства больших космических аппаратов. Без них спутники не смогли бы выполнять свои задачи - мониторить земную поверхность, передавать и ретранслировать сигналы, после вывода на орбиту они бы просто беспорядочно кувыркались в космосе, не в силах самостоятельно остановиться и принять необходимое положение.

Полноценную эффективную систему ориентации и стабилизации создать для пикоспутника довольно сложно в связи с ограниченностью его габаритов - в корпусе размером с банку нужно уместить еще различные датчики, системы и полезную нагрузку. Самарские студенты пока что разработали лишь систему стабилизации, она позволяет сохранять в полете стабильное положение корпуса пикоспутника вдоль одной оси - это подобно тому, как крутящийся волчок не дает себя отклонить в сторону, возвращаясь в вертикальное положение.

- После того как ракета вывела пикоспутник на заданную высоту, срабатывает датчик и внутри аппарата на одну минуту с определенной скоростью вращения запускается миниатюрный электродвигатель с маховиком на оси. Это обеспечивает одноосную стабилизацию спутника в пространстве, чтобы его меньше болтало в полете и чтобы он мог, например, произвести видео- или фотосъемку, как во время этих испытаний, и получить более четкие, несмазанные кадры. То есть стабилизация получается за счет создания момента импульса раскрученного груза, как в колесе велосипеда: чем быстрее едем на велосипеде, тем проще держать равновесие. Испытания показали, что эта идея оказалась для пикоспутника вполне жизнеспособной, - рассказал руководитель клуба "Космический градиент" Самарского университета им. Королёва Алексей Кумарин.

Один из разработчиков системы - студент Института двигателей и энергетических установок Николай Назаренко. Вместе со своими коллегами по клубу он разработал адаптер для крепления двигателя внутри пикоспутника, преобразователь электропитания, чтобы параметры вращения не зависели от уровня заряда аккумулятора, и драйвер, чтобы включать и выключать двигатель с помощью микроконтроллера по сигналу датчика. Схема драйвера позволяет менять направление вращения оси двигателя - это задел на будущее с перспективой создания для пикоспутников системы ориентации, то есть возможности изменения положения спутника в пространстве во время полета. Правда, для этого понадобится еще разработать систему управления, умеющую определять ориентацию спутника и управлять двигателем.

- Буквально за несколько недель в клубе я получил знания в области проектирования, программирования и создания систем пикоспутника, смог применить их на практике и сконструировать собственный аппарат, - поделился своими впечатлениями Николай Назаренко. - Так интересно видеть, как из моделей на компьютере подетально рождается устройство, как отладка кода и электронных плат дает результаты на последних тестах. Незабываемы и пуски, на которых я с внутренним ужасом смотрел, как плод моих трудов загружают в ракету. Я никогда не забуду, как ждал обратного отсчета и как увидел в небе, что спутник покинул корпус ракеты и отправился в самостоятельный полет. Только тогда я осознал, что всего за два месяца смог с полного нуля в области проектирования пикоспутников дойти до уровня, который позволяет создать аппарат, передающий электронный привет с высоты.

Своими впечатлениями поделился и студент Института авиационной и ракетно-космической техники (ИАРКТ) Сергей Уливанов:

- Интенсив в клубе дал мне возможность попробовать себя в программировании нового для меня семейства микроконтроллеров - STM32. А еще мне было интересно наблюдать за эмоциями тех, кто впервые был на запусках ракет и аппаратов. Хотя подозреваю, что, когда я запускал свой первый аппарат на ракете, на моем лице можно было прочитать такие же эмоции - восторг, чувство тревоги и одновременно гордости!

Наибольшая ответственность во время запусков лежала, разумеется, на пусковой команде, особенно если ты при этом еще и разработчик пускового оборудования и ракет. За время интенсива студентка ИАРКТ Полина Яковлева создала с нуля три ракеты, пусковую установку, инициирующий пульт для дистанционного зажигания запала и успешно провела испытательные пуски.

- Запуски ракет в рамках интенсива были очень ответственным делом, ведь без ракет спутники не полетят, - говорит Полина. - Моделирование ракет, их создание и создание пускового оборудования начались еще летом и продолжались до середины октября. Для меня, как для члена пусковой команды, сами запуски были очень волнительны: от нашей работы зависели результаты всего интенсива. И мы справились: ни один аппарат участников не разбился.

- Финал интенсива стал для нашего клуба первым опытом реализации мероприятия подобного формата. Разумеется, не все шло по изначальному плану, но в итоге все три запуска оказались достаточно успешными. Ни одна ракета не пошла по баллистической траектории, ни одна ракета или аппарат не потеряны, - подчеркнул Алексей Кумарин. - Несмотря на прохладную погоду, ранее утро, неблизкий и нелегкий путь до места запусков, на острове было довольно много зрителей, и мы были рады их видеть. Наш клуб будет и дальше проводить различные мероприятия, которые помогут желающим прикоснуться к темам программирования, электроники, конструирования и другим аспектам, которые необходимы для работы над космическими проектами. Мы всегда рады тем, кто горит космосом и хочет научиться новому и интересному. Отмечу, что мы принимаем новых участников круглый год, но именно сейчас наиболее оптимальное время для того, чтобы прийти и попробовать себя в чем-то новом, поскольку проекты нового сезона только начинаются.

Справочно

* Пикоспутниками называют космические аппараты массой от 100 граммов до 1 кг.

** Клуб молодежного аэрокосмического приборостроения "Космический градиент" существует в Самарском университете им. Королёва с 2019 года, а до этого был известен как движение "CanSat в Самаре". На базе клуба реализуются студенческие научно-технические проекты. Основное поле деятельности "Космического градиента" - создание и проектирование с нуля атмосферных и стратосферных аппаратов, зондов, а также потенциально космических спутников нано- и пикокласса. Команды клуба были финалистами и призерами чемпионата "Воздушно-инженерная школа", Всероссийского конкурса "Линия Кармана".

На данный момент основными проектами клуба являются конструктор образовательного пикоспутника MiniSat и станция для приема данных с космических и атмосферных аппаратов. Оба проекта были поддержаны Фондом содействия инновациям в рамках программы "УМНИК".