Малый спутник , миниатюрный спутник или smallsat — это спутник малой массы и размера, обычно менее 1200 кг (2600 фунтов). [1] Хотя все такие спутники можно назвать «малыми», для их категоризации на основе массы используются различные классификации . Спутники могут быть построены небольшими, чтобы снизить большую экономическую стоимость ракет-носителей и расходы, связанные со строительством. Миниатюрные спутники, особенно в большом количестве, могут быть более полезными, чем меньшее количество более крупных, для некоторых целей — например, для сбора научных данных и радиорелейной связи . Технические проблемы при строительстве малых спутников могут включать в себя отсутствие достаточного накопителя энергии или места для двигательной установки .
Одним из обоснований миниатюризации спутников является снижение стоимости; более тяжелые спутники требуют более крупных ракет с большей тягой, которые также требуют больших затрат на финансирование. Напротив, более мелкие и легкие спутники требуют меньших и более дешевых ракет-носителей и иногда могут запускаться несколькими. Их также можно запускать «накладными», используя избыточные мощности на более крупных ракетах-носителях. Миниатюрные спутники позволяют создавать более дешевые конструкции и упрощают массовое производство.
Еще одной важной причиной разработки малых спутников является возможность выполнения задач, которые не под силу более крупным спутникам, например:
Сегменты наноспутников и микроспутников в индустрии запуска спутников быстро росли в 2010-х годах. Активность разработки в диапазоне 1–50 кг (2,2–110,2 фунта) значительно превышала активность в диапазоне 50–100 кг (110–220 фунтов). [ 2]
Только в диапазоне от 1 до 50 кг в 2000–2005 годах ежегодно запускалось менее 15 спутников, в 2006 году — 34, а затем в 2007–2011 годах — менее 30 запусков в год. В 2012 году их число возросло до 34, а в 2013 году — до 92. [2]
Европейский аналитик Euroconsult прогнозирует, что в 2015–2019 годах будет запущено более 500 малых спутников, рыночная стоимость которых оценивается в 7,4 млрд долларов США . [3]
К середине 2015 года стало доступно гораздо больше вариантов запуска малых спутников, а запуски в качестве второстепенных полезных нагрузок стали более многочисленными и их стало легче планировать в более сжатые сроки. [4]
В удивительном повороте событий Министерство обороны США , которое десятилетиями закупало тяжелые спутники по десятилетним циклам закупок, переходит на малые спутники в 2020-х годах. Управление космических приобретений и интеграции заявило в январе 2023 года, что «эра больших спутников должна остаться в зеркале заднего вида для Министерства обороны» [5] , поскольку малые спутники закупаются для нужд Министерства обороны во всех орбитальных режимах, независимо от того, «будь то LEO, MEO или GEO », при этом закупки планируется осуществить менее чем за три года. [5] Считается, что меньшие спутники сложнее для противника, а также они обеспечивают большую устойчивость за счет избыточности в конструкции большой распределенной сети спутниковых активов . [5]
В 2021 году в космос были запущены первые автономные наноспутники, часть миссии Adelis-SAMSON, спроектированные и разработанные Технионом и Рафаэлем в Израиле . [6] В 2023 году SpaceX запустила 20-сантиметровый квантовый коммуникационный наноспутник, разработанный Тель-Авивским университетом , это первый в мире квантовый коммуникационный спутник. [7] Наноспутник TAU предназначен для формирования квантовой коммуникационной сети, а также для связи с Землей через оптическую наземную станцию. [7] [8]
Термин «малый спутник» [2] или иногда «мини-спутник» часто относится к искусственному спутнику с сырой массой (включая топливо) от 100 до 500 кг (от 220 до 1100 фунтов) [9] [10] , но в других случаях стал означать любой спутник массой менее 500 кг (1100 фунтов) [3] .
Примеры малых спутников [ по чьему мнению? ] включают Demeter , Essaim , Parasol , Picard , MICROSCOPE , TARANIS , ELISA , SSOT , SMART-1 , Spirale-A и -B , а также спутники Starlink . [ нужна ссылка ]
Хотя малые спутники традиционно запускались в качестве вторичной полезной нагрузки на более крупных ракетах-носителях, ряд компаний начали разработку ракет-носителей, специально нацеленных на рынок малых спутников. В частности, при большем количестве летающих малых спутников парадигма вторичной полезной нагрузки не обеспечивает специфичности, необходимой для многих малых спутников, которые имеют уникальные требования к орбите и времени запуска. [11]
Некоторые частные компании США, которые в какой-то момент времени осуществляли коммерческие запуски ракет-носителей для малых спутников:
Термин «микроспутник» или «микросат» обычно применяется к названию искусственного спутника с сырой массой от 10 до 100 кг (от 22 до 220 фунтов). [2] [9] [10] Однако это не является официальным соглашением, и иногда эти термины могут относиться к спутникам большего или меньшего веса (например, 1–50 кг (2,2–110,2 фунта)). [2] Иногда проекты или предлагаемые проекты некоторых спутников этих типов включают микроспутники, работающие вместе или в строю . [17] Иногда также используется общий термин «малый спутник» или «малый сат», [18] как и «сатлет». [19]
Примеры: Astrid-1 и Astrid-2, [20], а также набор спутников, в настоящее время анонсированных для LauncherOne (ниже) [18]
В 2018 году два микроспутника Mars Cube One , каждый массой всего 13,5 кг (30 фунтов), стали первыми CubeSat, покинувшими орбиту Земли для использования в межпланетном пространстве. Они полетели на Марс вместе с успешной миссией посадочного модуля Mars InSight . [21] Два микроспутника совершили пролет Марса в ноябре 2018 года, и оба продолжали поддерживать связь с наземными станциями на Земле до конца декабря. Оба замолчали к началу января 2019 года. [22]
Ряд коммерческих и военных компаний-подрядчиков в настоящее время разрабатывают ракеты-носители для микроспутников , чтобы выполнять все более целевые требования к запуску микроспутников. Хотя микроспутники выводились в космос в течение многих лет в качестве вторичной полезной нагрузки на борту более крупных пусковых установок , парадигма вторичной полезной нагрузки не обеспечивает специфичности, необходимой для многих все более сложных малых спутников, которые имеют уникальные требования к орбите и времени запуска. [11]
В июле 2012 года Virgin Orbit анонсировала LauncherOne , орбитальную ракету-носитель, предназначенную для запуска основных полезных нагрузок «smallsat» весом 100 кг (220 фунтов) на низкую околоземную орбиту , запуски которой, как ожидается, начнутся в 2016 году. Несколько коммерческих клиентов уже заключили контракты на запуски, включая GeoOptics, Skybox Imaging , Spaceflight Industries и Planetary Resources . И Surrey Satellite Technology , и Sierra Nevada Space Systems разрабатывают спутниковые платформы, «оптимизированные под конструкцию LauncherOne». [18] Virgin Orbit работала над концепцией LauncherOne с конца 2008 года, [23] и с 2015 года [обновлять]делает ее большей частью основного бизнес-плана Virgin, поскольку программа пилотируемых космических полетов Virgin столкнулась с многочисленными задержками и фатальной аварией в 2014 году. [24]
В декабре 2012 года DARPA объявило, что программа Airborne Launch Assist Space Access предоставит ракетный ускоритель для микроспутников для программы DARPA SeeMe, которая намеревалась выпустить « созвездие из 24 микроспутников (диапазоном около 20 кг (44 фунта)) каждый с разрешением изображения 1 м ». [25] Программа была отменена в декабре 2015 года. [26]
В апреле 2013 года компания Garvey Spacecraft получила контракт на 200 000 долларов США на разработку технологии суборбитальной ракеты-носителя Prospector 18 для создания орбитальной ракеты-носителя для наноспутников, способной доставлять полезную нагрузку массой 10 кг (22 фунта) на орбиту высотой 250 км (160 миль), а также еще более мощной кластерной «ракеты-носителя для нано/микроспутников 20/450» (NMSLV), способной доставлять полезную нагрузку массой 20 кг (44 фунта) на круговые орбиты высотой 450 км (280 миль) . [27]
Boeing Small Launch Vehicle — это концепция запускаемой с воздуха трехступенчатой ракеты-носителя, предназначенной для запуска небольших полезных грузов весом 45 кг (100 фунтов) на низкую околоземную орбиту. Программа предлагается для снижения стоимости запуска американских военных малых спутников до уровня 300 000 долларов США за запуск (7 000 долларов США/кг) и, если программа разработки будет профинансирована в 2012 году, [обновлять]может быть введена в эксплуатацию к 2020 году. [28]
Швейцарская компания Swiss Space Systems (S3) объявила в 2013 году о планах по разработке суборбитального космического самолета под названием SOAR , который будет запускать ракету-носитель для микроспутников, способную выводить полезную нагрузку массой до 250 кг (550 фунтов) на низкую околоземную орбиту. [29]
Испанская компания PLD Space была основана в 2011 году с целью разработки недорогих ракет-носителей Miura 1 и Miura 5, способных выводить на орбиту до 150 кг (330 фунтов). [30]
Термин «наноспутник» или «наносат» применяется к искусственному спутнику с сырой массой от 1 до 10 кг (от 2,2 до 22,0 фунтов). [2] [9] [10] Конструкции и предлагаемые проекты этих типов могут запускаться по отдельности, или они могут иметь несколько наноспутников, работающих вместе или в строю, в этом случае иногда может применяться термин «спутниковый рой» [32] или « фракционированный космический аппарат ». Некоторые конструкции требуют более крупного «материнского» спутника для связи с наземными контроллерами или для запуска и стыковки с наноспутниками. По состоянию на декабрь 2023 года было запущено более 2300 наноспутников. [33] [31]
CubeSat [34] — это распространенный тип наноспутника, [31] построенный в форме куба на основе кратных 10 см × 10 см × 10 см, с массой не более 1,33 кг (2,9 фунта) на единицу. [ 35] Концепция CubeSat была впервые разработана в 1999 году совместной группой Калифорнийского политехнического государственного университета и Стэнфордского университета , и спецификации, которые могут использоваться любыми, кто планирует запустить наноспутник в стиле CubeSat, поддерживаются этой группой. [35]
С постоянным прогрессом в миниатюризации и увеличении возможностей электронных технологий и использовании спутниковых созвездий , наноспутники все больше способны выполнять коммерческие миссии, для которых ранее требовались микроспутники. [36] Например, был предложен стандарт 6U CubeSat, позволяющий спутниковой группировке из тридцати пяти 8-килограммовых (18-фунтовых) спутников для получения изображений Земли заменить группировку из пяти 156-килограммовых (344-фунтовых) спутников для получения изображений Земли RapidEye , при той же стоимости миссии, со значительно увеличенным временем повторного посещения: каждая область земного шара может быть отображена каждые 3,5 часа, а не один раз в 24 часа с группировкой RapidEye. Более быстрое время повторного посещения является значительным улучшением для стран, выполняющих меры реагирования на стихийные бедствия, что и было целью группировки RapidEye. Кроме того, опция наноспутника позволит большему количеству стран владеть собственным спутником для сбора данных изображений в непиковое время (не во время стихийных бедствий). [36] По мере снижения затрат и сокращения сроков производства наноспутники становятся все более выгодными предприятиями для компаний. [37]
Примеры наноспутников: ExoCube (CP-10) , ArduSat , SPROUT [38]
Разработчиками и производителями наноспутников являются EnduroSat , GomSpace , NanoAvionics , NanoSpace, Spire , [39] Surrey Satellite Technology , [40] NovaWurks , [41] Dauria Aerospace, [42] Planet Labs [40] и Reaktor . [43]
За десять лет запусков наноспутников до 2014 года было запущено всего 75 наноспутников. [31] Темпы запусков существенно возросли, когда за трехмесячный период с ноября 2013 года по январь 2014 года было запущено 94 наноспутника. [40]
Одной из проблем использования наноспутников была экономическая доставка таких малых спутников куда-либо за пределы низкой околоземной орбиты . К концу 2014 года были разработаны предложения для более крупных космических аппаратов, специально предназначенных для доставки роев наноспутников на траектории, которые находятся за пределами околоземной орбиты для таких применений, как исследование далеких астероидов. [44]
С появлением технологических достижений в области миниатюризации и ростом капитала для поддержки частных космических инициатив в 2010-х годах было создано несколько стартапов, нацеленных на реализацию возможностей разработки различных технологий малогабаритных наноспутниковых ракет-носителей (NLV).
Предлагаемые или находящиеся в стадии разработки NLV включают:
Фактические запуски NS:
Термин «пикоспутник» или «пикосат» (не путать с серией микроспутников PicoSAT ) обычно применяется к искусственным спутникам с сырой массой от 0,1 до 1 кг (от 0,22 до 2,2 фунта), [9] [10] хотя иногда он используется для обозначения любого спутника, стартовая масса которого составляет менее 1 кг. [2] Опять же, проекты и предлагаемые проекты этих типов обычно имеют несколько пикоспутников, работающих вместе или в строю (иногда применяется термин «рой»). Некоторые проекты требуют более крупного «материнского» спутника для связи с наземными контроллерами или для запуска и стыковки с пикоспутниками.
Пикоспутники появляются как новая альтернатива для самодельных наборов. Пикоспутники в настоящее время коммерчески доступны во всем диапазоне 0,1–1 кг (0,22–2,2 фунта). Возможности запуска теперь доступны по цене от 12 000 до 18 000 долларов за пикоспутниковые полезные нагрузки весом менее 1 кг, которые примерно размером с банку газировки. [50]
Термин «фемтоспутник» или «фемтосат» обычно применяется к искусственным спутникам с сырой массой менее 100 г (3,5 унции). [2] [9] [10] Как и пикоспутникам, некоторым конструкциям требуется более крупный «материнский» спутник для связи с наземными диспетчерами.
Три прототипа «чиповых спутников» были запущены на МКС на шаттле Endeavour во время его последней миссии в мае 2011 года. Они были прикреплены к внешней платформе МКС Materials International Space Station Experiment (MISSE-8) для испытаний. [51] В апреле 2014 года наноспутник KickSat был запущен на борту ракеты Falcon 9 с намерением выпустить 104 чипсата размером с фемтоспутник, или «Sprites». [52] [53] В этом случае они не смогли завершить развертывание вовремя из-за отказа бортовых часов, и механизм развертывания повторно вошел в атмосферу 14 мая 2014 года, не развернув ни один из 5-граммовых фемтоспутников. [54] ThumbSat — еще один проект, намеревающийся запустить фемтоспутники в конце 2010-х годов. [55] ThumbSat объявила о соглашении о запуске с CubeCat в 2017 году для запуска до 1000 очень маленьких спутников. [56] [ требуется обновление ]
В марте 2019 года CubeSat KickSat-2 вывел на околоземную орбиту 105 фемтосатов, называемых «ChipSats». Каждый из ChipSat весил 4 грамма. Спутники испытывались в течение 3 дней, а затем они вернулись в атмосферу и сгорели. [57] [58]
Малые спутники обычно требуют инновационных систем движения, управления ориентацией , связи и вычислений.
Более крупные спутники обычно используют моно- или двухкомпонентные системы сгорания для движения и управления ориентацией; эти системы сложны и требуют минимального объема для поверхности для рассеивания тепла. Эти системы могут использоваться на более крупных малых спутниках, в то время как другие микро-/наносаты должны использовать электродвижение, сжатый газ, испаряющиеся жидкости, такие как бутан или углекислый газ , или другие инновационные системы движения, которые просты, дешевы и масштабируемы.
Малые спутники могут использовать обычные радиосистемы в диапазонах UHF, VHF, S-диапазона и X-диапазона, хотя часто миниатюризируются с использованием более современных технологий по сравнению с более крупными спутниками. Крошечные спутники, такие как наноспутники и малые микроспутники, могут не иметь источника питания или массы для больших обычных радиотранспондеров , и были предложены различные миниатюризированные или инновационные системы связи, такие как лазерные приемники, антенные решетки и сети связи спутник-спутник. Немногие из них были продемонстрированы на практике.
Электронику необходимо тщательно тестировать и модифицировать, чтобы она была «защищена от космоса» или устойчива к условиям внешнего космоса (вакуум, микрогравитация, экстремальные температуры и воздействие радиации). Миниатюрные спутники дают возможность тестировать новое оборудование с меньшими затратами на тестирование. Кроме того, поскольку общий риск затрат в миссии намного ниже, в микро- и наноспутники можно включить более современные, но менее проверенные в космосе технологии, чем те, которые можно использовать в гораздо более крупных и дорогих миссиях с меньшим аппетитом к риску.
Малые спутники трудно отслеживать с помощью наземных радаров, поэтому трудно предсказать, столкнутся ли они с другими спутниками или пилотируемыми космическими аппаратами. Федеральная комиссия по связи США отклонила по крайней мере один запрос на запуск малого спутника по этим соображениям безопасности. [59]
19 ноября американская компания Orbital Sciences запустила ракету с космодрома Уоллопс в Вирджинии. Она вывела на орбиту 29 спутников и выпустила их на низкую околоземную орбиту, что является рекордом для одной миссии. Тридцать часов спустя российское совместное предприятие Kosmotras вывело на аналогичную орбиту 32 спутника. Затем, в январе 2014 года, Orbital Sciences вывела 33 спутника на Международную космическую станцию (МКС), откуда они были отправлены месяц спустя.