Небольшой спутник , миниатюрный спутник или малый спутник — это спутник небольшой массы и размера, обычно менее 1200 кг (2600 фунтов). [1] Хотя все такие спутники можно назвать «маленькими», для их классификации используются разные классификации на основе массы . Спутники можно строить небольшими, чтобы снизить большие экономические затраты на ракеты-носители и затраты, связанные с их строительством. Миниатюрные спутники, особенно в большом количестве, могут быть более полезны, чем более крупные, для некоторых целей – например, для сбора научных данных и радиореле . Технические проблемы при создании малых спутников могут включать отсутствие достаточного запаса энергии или места для двигательной установки .
Одним из оснований миниатюризации спутников является снижение стоимости; более тяжелые спутники требуют более крупных ракет с большей тягой, финансирование которых также требует более высоких затрат. Напротив, меньшие и более легкие спутники требуют меньших и более дешевых ракет-носителей, и иногда их можно запускать несколькими партиями. Их также можно запускать «на спине», используя избыточную мощность более крупных ракет-носителей. Миниатюрные спутники позволяют удешевить конструкцию и упростить массовое производство.
Еще одной важной причиной разработки малых спутников является возможность выполнять задачи, которые не может выполнить более крупный спутник, например:
Сегменты наноспутниковой и микроспутниковой индустрии запуска спутников в последние годы быстро растут. Активность развития в диапазоне 1–50 кг (2,2–110,2 фунта) значительно превышает активность в диапазоне 50–100 кг (110–220 фунтов). [2]
Только в диапазоне 1–50 кг ежегодно в период с 2000 по 2005 год запускалось менее 15 спутников, в 2006 году — 34, а в период с 2007 по 2011 год — менее 30 запусков ежегодно. Это число выросло до 34 запусков в 2012 году и 92 запусков в 2013 году . 2]
Европейский аналитик Euroconsult прогнозирует запуск более 500 малых спутников в 2015–2019 годах, рыночная стоимость которых оценивается в 7,4 миллиарда долларов США . [3]
К середине 2015 года для малых спутников стало доступно гораздо больше вариантов запуска, а количество полетов в качестве вторичной полезной нагрузки стало больше, и их стало легче планировать в более короткие сроки. [4]
Удивительным поворотом событий стало то, что Министерство обороны США , которое на протяжении десятилетий закупало тяжелые спутники в рамках десятилетних циклов закупок, в 2020-х годах переходит на малые спутники. В январе 2023 года Управление космических приобретений и интеграции заявило, что «эра массивных спутников должна остаться в зеркале заднего вида для Министерства обороны» [5] , при этом малые спутники закупаются для нужд Министерства обороны на всех орбитальных режимах, независимо от «будь то LEO MEO или GEO », стремясь осуществить закупки менее чем за три года. [5] Считается, что меньшие по размеру спутники противнику сложнее атаковать, а также они обеспечивают большую устойчивость за счет резервирования в конструкции большой распределенной сети спутниковых активов . [5]
Термин «малый спутник» [2] или иногда «миниспутник» часто относится к искусственному спутнику с влажной массой (включая топливо) от 100 до 500 кг (от 220 до 1100 фунтов), [6] [7] , но в другое использование стало означать любой спутник весом менее 500 кг (1100 фунтов). [3]
Примеры малых спутников [ по данным кого? ] включают спутники Demeter , Essaim , Parasol , Picard , MICROSCOPE , TARANIS , ELISA , SSOT , SMART-1 , Spirale-A и -B , а также Starlink . [ нужна цитата ]
Хотя малые спутники традиционно запускались в качестве вторичной полезной нагрузки на более крупных ракетах-носителях, ряд компаний в настоящее время разрабатывают или разработали ракеты-носители, специально ориентированные на рынок малых спутников. В частности, парадигма вторичной полезной нагрузки не обеспечивает той специфичности, которая необходима для многих малых спутников, имеющих уникальные требования к орбите и времени запуска. [8]
Некоторые частные компании из США, которые в какой-то момент запустили в коммерческую эксплуатацию малые ракеты-носители:
Термин «микроспутник» или «микроспутник» обычно применяется к названию искусственного спутника с сырой массой от 10 до 100 кг (от 22 до 220 фунтов). [2] [6] [7] Однако это не официальная конвенция, и иногда эти термины могут относиться к спутникам большего или меньшего размера (например, 1–50 кг (2,2–110,2 фунта)). [2] Иногда в конструкциях или предлагаемых конструкциях некоторых спутников этих типов микроспутники работают вместе или в строю . [12] Также иногда используется общий термин «малый спутник» или «малый спутник», [13] как и «спутник». [14]
Примеры: Астрид-1 и Астрид-2, [15] , а также набор спутников, анонсированных в настоящее время для LauncherOne (ниже) [13]
В 2018 году два микроспутника Mars Cube One массой всего 13,5 кг (30 фунтов) каждый стали первыми спутниками CubeSat, покинувшими околоземную орбиту для использования в межпланетном пространстве. Они летели на Марс вместе с успешной миссией посадочного модуля Mars InSight . [16] Два микроспутника совершили облет 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. [17]
Ряд коммерческих и военных компаний-подрядчиков в настоящее время разрабатывают ракеты-носители микроспутников для выполнения все более целенаправленных задач по запуску микроспутников. Хотя микроспутники уже много лет отправляются в космос в качестве вторичной полезной нагрузки на борту более крупных ракет-носителей , парадигма вторичной полезной нагрузки не обеспечивает специфики, необходимой для многих все более сложных малых спутников, которые имеют уникальные требования к орбите и времени запуска. [8]
В июле 2012 года Virgin Orbit анонсировала LauncherOne , орбитальную ракету-носитель , предназначенную для вывода на низкую околоземную орбиту основной полезной нагрузки «малых спутников» массой 100 кг (220 фунтов) . Запуски планируется начать 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 автобусы , «оптимизированные под конструкцию LauncherOne». [13] Virgin Orbit работает над концепцией LauncherOne с конца 2008 года, [18] и с 2015 года делает ее большей частью основного бизнес-плана Virgin, поскольку программа полетов человека в космос Virgin претерпела многочисленные задержки и аварию со смертельным исходом в 2014. [19][обновлять]
В декабре 2012 года DARPA объявило, что программа Airborne Launch Assist Space Access предоставит микроспутниковый ракетный ускоритель для программы DARPA SeeMe, которая намеревалась выпустить « созвездие из 24 микроспутников (дальность ~ 20 кг (44 фунта)) каждый с 1 -m разрешение изображения ." [20] Программа была отменена в декабре 2015 года. [21]
В апреле 2013 года компания Garvey Spacecraft получила контракт на сумму 200 000 долларов США на разработку технологии суборбитальной ракеты- носителя Prospector 18 в орбитальную ракету-носитель наноспутников, способную доставлять полезную нагрузку массой 10 кг (22 фунта) на орбиту высотой 250 км (160 миль) на ровную орбиту. -более мощная кластерная «ракета-носитель нано/микроспутников 20/450» (NMSLV), способная доставлять полезную нагрузку массой 20 кг (44 фунта) на круговые орбиты радиусом 450 км (280 миль) . [22]
Малая ракета-носитель Boeing представляет собой концепцию трехступенчатой ракеты-носителя воздушного базирования , предназначенную для вывода небольших полезных грузов массой 45 кг (100 фунтов) на низкую околоземную орбиту. Предлагается, что программа позволит снизить затраты на запуск американских военных малых спутников до 300 000 долларов США за запуск (7 000 долларов США за кг) и, если программа разработки будет профинансирована, с 2012 года может быть введена в эксплуатацию к 2020 году . [23][обновлять]
Швейцарская компания Swiss Space Systems (S3) объявила о планах в 2013 году разработать суборбитальный космический самолет SOAR , который будет запускать микроспутниковую ракету-носитель, способную вывести на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой до 250 кг (550 фунтов). [24]
Испанская компания PLD Space родилась в 2011 году с целью разработки недорогих ракет-носителей Miura 1 и Miura 5 , способных выводить на орбиту до 150 кг (330 фунтов). [25]
Термин «наноспутник» или «наноспутник» применяется к искусственному спутнику с влажной массой от 1 до 10 кг (от 2,2 до 22,0 фунтов). [2] [6] [7] Конструкции и предлагаемые конструкции этих типов могут запускаться индивидуально или могут иметь несколько наноспутников, работающих вместе или в строю, и в этом случае иногда используется термин «рой спутников» [27] или « фракционированный рой спутников». космический корабль » может быть применен. Для некоторых проектов требуется более крупный «материнский» спутник для связи с наземными диспетчерами или для запуска и стыковки с наноспутниками. По состоянию на декабрь 2023 года было запущено более 2300 наноспутников. [28] [26]
CubeSat [29] представляет собой распространенный тип наноспутника, [26] построенный в форме куба с размерами, кратными 10 см × 10 см × 10 см, с массой не более 1,33 кг (2,9 фунта) на единицу . [30] Концепция CubeSat была впервые разработана в 1999 году совместной командой Калифорнийского политехнического государственного университета и Стэнфордского университета , и спецификации, предназначенные для использования всеми, кто планирует запустить наноспутник в стиле CubeSat, поддерживаются этой группой. [30]
Благодаря продолжающемуся прогрессу в области миниатюризации и увеличения возможностей электронных технологий, а также использования спутниковых группировок , наноспутники все больше способны выполнять коммерческие задачи, для которых ранее требовались микроспутники. [31] Например, стандарт 6U CubeSat был предложен, чтобы позволить группировке спутников из тридцати пяти 8-килограммовых (18 фунтов) спутников для съемки Земли заменить группировку из пяти 156-килограммовых (344 фунтов) спутников RapidEye для съемки Земли, на та же стоимость миссии, но со значительно увеличенным временем повторного посещения: каждую область земного шара можно получать изображения каждые 3,5 часа, а не один раз в 24 часа с помощью группировки RapidEye. Более быстрое время повторного посещения является значительным улучшением для стран, осуществляющих реагирование на стихийные бедствия, что и было целью системы RapidEye. Кроме того, опция nanosat позволит большему количеству стран иметь собственный спутник для сбора данных изображений в непиковое время (без стихийных бедствий). [31] Поскольку затраты снижаются, а время производства сокращается, наноспутники становятся все более выгодными предприятиями для компаний. [32]
Примеры наноспутников: ExoCube (CP-10) , ArduSat , SPROUT [33]
Среди разработчиков и производителей наноспутников — EnduroSat , GomSpace , NanoAvionics , NanoSpace, Spire , [34] Surrey Satellite Technology , [35] NovaWurks , [36] Dauria Aerospace, [37] Planet Labs [35] и Reaktor . [38]
За десять лет запусков наноспутников до 2014 года было запущено всего 75 наноспутников. [26] Темпы запусков существенно возросли, когда за трехмесячный период с ноября 2013 г. по январь 2014 г. было запущено 94 наноспутника. [35]
Одной из проблем использования наноспутников была экономичная доставка таких небольших спутников куда-либо за пределы низкой околоземной орбиты . К концу 2014 года разрабатывались предложения по более крупным космическим кораблям, специально предназначенным для доставки групп наноспутников на траектории, выходящие за пределы околоземной орбиты, для таких приложений, как исследование далеких астероидов. [39]
С появлением в 2010-х годах технологических достижений в области миниатюризации и увеличения капитала для поддержки частных инициатив в области космических полетов было создано несколько стартапов для использования возможностей разработки различных технологий наноспутниковых ракет-носителей (NLV) малой полезной нагрузки.
Предлагаемые или разрабатываемые 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), [6] [7] , хотя иногда его используют для обозначения любого спутника, стартовая масса которого менее 1 кг. [2] Опять же, конструкции и предлагаемые конструкции этих типов обычно имеют несколько пикоспутников, работающих вместе или в строю (иногда применяется термин «рой»). Для некоторых проектов требуется более крупный «материнский» спутник для связи с наземными диспетчерами или для запуска и стыковки с пикоспутниками.
Пикоспутники становятся новой альтернативой для производителей комплектов «сделай сам» . Пикоспутники в настоящее время коммерчески доступны во всем диапазоне масс 0,1–1 кг (0,22–2,2 фунта). Возможности запуска теперь доступны по цене от 12 000 до 18 000 долларов США за полезную нагрузку пикосата весом менее 1 кг, размер которой примерно равен банке из-под газировки. [45]
Термин «фемтоспутник» или «фемтоспутник» обычно применяется к искусственным спутникам с влажной массой менее 100 г (3,5 унции). [2] [6] [7] Как и пикоспутники, некоторые конструкции требуют более крупного «материнского» спутника для связи с наземными диспетчерами.
Три прототипа «чип-спутников» были запущены на МКС на космическом корабле «Индевор» во время его последней миссии в мае 2011 года. Они были прикреплены к внешней платформе МКС « Материалы Международной космической станции» (MISSE-8) для испытаний. [46] В апреле 2014 года наноспутник KickSat был запущен на борту ракеты Falcon 9 с намерением выпустить 104 чипсата размером с фемтоспутник, или «Спрайты». [47] [48] В этом случае они не смогли завершить развертывание вовремя из-за отказа бортовых часов, и механизм развертывания снова вошел в атмосферу 14 мая 2014 года, не развернув ни одного из 5-граммовых фемтоспутников. [49] ThumbSat — еще один проект, намеревающийся запустить фемтоспутники в конце 2010-х годов. [50] ThumbSat объявила о заключении соглашения с CubeCat в 2017 году о запуске до 1000 очень маленьких спутников. [51] [ нужно обновить ]
В марте 2019 года CubeSat KickSat-2 вывел на околоземную орбиту 105 фемтоспутников под названием «ChipSats». Каждый из чипсатов весил 4 грамма. Спутники испытывались 3 дня, а затем снова вошли в атмосферу и сгорели. [52] [53]
Маленькие спутники обычно требуют инновационных систем движения, управления ориентацией , связи и вычислений.
В более крупных спутниках для движения и управления ориентацией обычно используются монотопливные или двухтопливные системы сгорания; эти системы сложны и требуют минимального объема и площади поверхности для рассеивания тепла. Эти системы могут использоваться на более крупных и небольших спутниках, в то время как другие микро/наноспутники должны использовать электрическую двигательную установку, сжатый газ, испаряющиеся жидкости, такие как бутан или углекислый газ , или другие инновационные двигательные системы, которые являются простыми, дешевыми и масштабируемыми.
Маленькие спутники могут использовать традиционные радиосистемы в диапазонах УВЧ, УКВ, S-диапазона и X-диапазона, хотя зачастую они миниатюризированы с использованием более современных технологий по сравнению с более крупными спутниками. Крошечные спутники, такие как наноспутники и небольшие микроспутники, могут не иметь достаточного источника питания или массы для больших традиционных радиотранспондеров , и были предложены различные миниатюрные или инновационные системы связи, такие как лазерные приемники, антенные решетки и сети межспутниковой связи. Лишь немногие из них были продемонстрированы на практике.
Электроника должна быть тщательно протестирована и модифицирована, чтобы быть «защищенной в космосе» или устойчивой к внешней космической среде (вакуум, микрогравитация, экстремальные температуры и радиационное воздействие). 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 могут быть включены более современные, но менее проверенные в космосе технологии, чем в гораздо более крупных и дорогих миссиях с меньшим стремлением к риску.
Маленькие спутники трудно отслеживать с помощью наземных радаров, поэтому трудно предсказать, столкнутся ли они с другими спутниками или космическими кораблями, населенными людьми. Федеральная комиссия по связи США отклонила как минимум один запрос на запуск небольшого спутника по соображениям безопасности. [54]
19 ноября американская компания Orbital Sciences запустила ракету с полигона Уоллопс в Вирджинии.
Он поднял в воздух 29 спутников и вывел их на низкую околоземную орбиту, что стало рекордом для одной миссии.
Тридцать часов спустя российское совместное предприятие «Космотрас» вывело на аналогичную орбиту 32 спутника.
Затем, в январе 2014 года, компания Orbital Sciences доставила 33 спутника на Международную космическую станцию (МКС), где через месяц они были отброшены.