Тенденция к снижению массы КА наглядно отражает возросшие технологические возможности. Появление новых  конструкционных материалов, развитие технологий микроэлектроники снизили массу систем КА и бортовой аппаратуры,  сделали их более компактными. Это дает возможность использовать для выведения современных КА более легкие ракеты-носители, увеличить состав научной аппаратуры и тем самым расширить состав и повысить эффективность решаемых задач, использовать более энергоемкие орбиты и увеличить сферу досягаемости объектов Солнечной системы. 

Польза создания и применения МКА подтверждается:

- относительной простотой конструкции;

- сокращением сроков создания и в некоторых случаях затрат;

- малочисленностью персонала для разработки, изготовления и испытаний;

- отсутствием необходимости применения уникального и дорогостоящего испытательного оборудования, благодаря малым размерам КА и др;

- оперативностью восполнения орбитальных группировок, благодаря малым срокам изготовления и подготовки к запуску. Популярности МКА способствует также расширение круга пользователей космической техники, стремящихся иметь эффективные и недорогие системы, которые должны приносить экономический эффект в сжатые сроки.

 

В силу своих особенностей создание и применение МКА нацелено в основном на решение отдельных задач с ограниченным составом целевой аппаратуры. В этом случае анализ результатов каждого пуска позволяет корректировать цель последующего, тем самым, повышая его эффективность и всей программы в целом.

 

Ценовая привлекательность изготовления и выведения в космос МКА позволяет формировать многоспутниковые орбитальные группировки, например, спутниковые системы связи, непрерывного мониторинга земной поверхности, научных исследований. Достоинством таких систем являются высокая живучесть, эффективность и надёжность, благодаря большому числу задействованных КА. Такой системе под силу решение некоторых научных задач, предусматривающих одновременное измерение какого-либо параметра во многих точках околоземного пространства - например, изучение динамики теплового состояния планеты или параметров магнитосферы.  Использование МКА позволяет сравнительно быстро и с малыми финансовыми затратами выполнять наращивание и модернизацию системы новыми информационными средствами по мере их разработки за счет модульности конструкции МКА. Не менее привлекательной представляется задача отработки и демонстрации новых технологий, в т.ч. проведения летных испытаний каких-либо новых конструктивных элементов или приборов.  Применение МКА позволяет обеспечить непрерывность получения данных на регулярной основе и существенно облегчить решение многих задач, имеющих общегосударственное и международное значение, например, мониторинга природной среды:

 

- контроль погодообразующих и климатообразующих факторов с целью достоверного прогнозирования погоды и изменения климата;

- контроль на федеральном и региональном уровнях за состоянием источников загрязнения атмосферы, воды, а также за рациональным землепользованием и хозяйственной деятельностью;

- оперативный контроль чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера; 

- контроль технического состояния и, при необходимости, диспетчерское управление автономными автоматическими объектами. Орбитальная группировка МКА может быть весьма эффективна для мониторинга труднодоступных, а также полярных и приполярных районов России.

 

Весьма продуктивной и актуальной является также идея массового использования МКА для оказания различного рода услуг связи. Это утверждение справедливо хотя бы потому, что стоимость производства, запуска и поддержания на орбите одного МКА в несколько раз меньше, чем одного тяжелого спутника. Кроме того, потребности в системах связи со средней и малой пропускной способностью достаточно высоки на сегодня, особенно если иметь в виду следующее обстоятельство. На фоне бурного развития телекоммуникаций во всем мире тысячи мелких населенных пунктов, поселков, расположенных в труднодоступных районах, вообще не имеют никакой связи. Космические системы с использованием МКА могут создаваться по архитектуре 'открытого типа', т.е. допускают включение в состав новых космических комплексов, в т.ч. создаваемых по коммерческим или международным программам. Микроспутниковые технологии могут оказаться также весьма полезными при исследовании планет и межпланетного пространства.

 

Существенным вопросом в создании МКА является проблема унификации. Принцип разработки и реализации унифицированных платформ КА как основы специализированных КА, получаемых в результате оснащения платформ комплексами аппаратуры целевого назначения, впервые в мировой практике был освоен в СССР на Днепропетровском 'Южмаше'. Одним из руководителей этих работ был В.М.Ковтуненко, ставший в 1977 г. генеральным конструктором НПО им. С.А.Лавочкина.

 

В начале 1960х гг. было принято решение о создании по техническому заданию АН СССР первой в мире серии  унифицированных космических аппаратов. Спутники, создававшиеся в рамках этих исследовательских программ, фактически были образованы орбитальной платформой с набором служебных систем, на которую в зависимости от задач  конкретного космического эксперимента устанавливалась соответствующая научная аппаратура.

Федеральной космической программой России на 2006-2015 гг. предусмотрено создание серии МКА научного назначения,  способных выполнять задачи, которые не так давно были по силам лишь тяжелым спутникам. Разрабатывается программа исследований с использованием МКА и на существенно более далекую перспективу. В НПО им. С.А.Лавочкина разработана  унифицированная космическая платформа 'Карат', а также технические предложения на серию микроспутников на ее базе. 

Основные задачи, решаемые создаваемым комплексом на ближайшие годы:

- проведение исследований по изучению Солнца, солнечно-земных связей и малых тел Солнечной системы;

- проведение исследований в области изучения космических лучей;

- проведение исследования физических явлений в атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли;

- проведение исследований по изучению параметров гамма-всплесков;

- исследования Земли из космоса в интересах фундаментальных научных исследований.

 

Привлекательность МКА для проведения научных экспериментов привела к появлению значительного количества (на сегодня более 20) предложений по проведению космических исследований как в области фундаментальных наук, так и в области метеорологических, экологических наблюдений. Научные организации, предлагающие данные космические эксперименты, известны научными школами в своих областях исследования. Это - ИКИ РАН, ИРЭ РАН, ФИ РАН, ФТИ РАН, ИЗМИРАН, МИФИ, научно-исследовательские институты МГУ и т.д.  В ряде экспериментов предполагается как прямое участие ряда известных зарубежных научных центров Европы, США, Азии, так и взаимодополняющие друг друга космические эксперименты нескольких стран, что позволит создавать группировки спутников для многоточечного исследования, например, магнитосферных явлений. В результате комплексного рассмотрения предложенных проектов по критериям готовности, приоритетности, стоимости и другим Российская академия наук приняла решение о целевых задачах для первых аппаратов в рамках Федеральной космической программы России. Это, в первую очередь, эксперимент 'Зонд-ПП' (ИРЭ РАН), предназначенный для изучения характеристик земной поверхности спутниковым радиометром L-диапазона. В числе преимуществ метода исследований с применением СВЧ радиометрии - высокая информативность и способность осуществлять измерения независимо от времени суток и присутствия облачности.

 

За более чем 25летнюю историю применения СВЧ-радиометрии полученные данные с успехом использовались в таких областях, как сельское хозяйство, рекультивация земель, ирригация, распределение водных ресурсов, агрометеорология, гидрометеорология, гидрология, разведение риса, исследования заболоченных и затапливаемых земель, биоценология и экология. В настоящее время космическими агентствами мира разрабатывается целый ряд специализированных спутников дистанционного зондирования, в состав научной аппаратуры которых включены радиометры L-диапазона, например, европейская программа MIRAS, программы США AQUARIUS и HYDROS. СВЧ-радиометрия L-диапазона позволит:

 

- получать карты влажности почв по территориям различного масштаба;

- определять биометрические характеристики растительных покровов;

- получать карты солености водных акваторий;

- проводить исследования гляциальных и мерзлотных зон;

- изучать энергообмен в системе океан-суша-атмосфера;

- проводить исследования геотермальной деятельности.

 

В частности, задачи дистанционного определения влажности почв и параметров растительных покровов с помощью радиометрических измерений неразрывно связаны между собой, так как эти природные объекты представляют собой единый комплекс. Что же касается солености, то наряду с температурой она является важной движущей силой глобальной океанической циркуляции. Ярким примером является система течений в северной Атлантике. Одно из наиболее мощных океанических течений, Гольфстрим, переносит теплые и соленые воды из приэкваториальных областей на север, обогревая всю северо- западную часть Европы.

 

Более пресные, но и более холодные арктические воды опускаются вниз за счет более высокой плотности, и на глубине переносятся в обратном направлении, в сторону экватора. Такая система течений и противотечений напоминает непрерывную конвейерную ленту, транспортирующую на север громадное количество тепла из низких широт. Однако интенсивное таяние арктических льдов вследствие глобального потепления может привести к уменьшению солености северных вод, и в какой-то момент их плотность может уравняться с плотностью теплой воды, что приведет, образно говоря, к остановке 'конвейера' и, соответственно, к драматическим изменениям климата в Европе и Северной Америке. Это лишь один пример, иллюстрирующий взаимосвязь солености океана, глобальной циркуляции и климатических изменений, но подобные же процессы происходят и в Тихом океане, и в южном полушарии. Локальные изменения солености также оказывают значительное влияние и на океаническую биосистему, в том числе на важные промысловые виды. Все эти факторы делают задачу мониторинга солености океана весьма актуальной, а единственным средством, способным обеспечить такой мониторинг в глобальных масштабах с необходимой оперативностью, являются специализированные спутники. Таким образом, результаты, полученные при проведении эксперимента 'Зонд-ПП', могут быть использованы, в первую очередь, для задач прогноза изменений окружающей среды и климата. Не меньший интерес представляют эксперименты 'Моника' (МИФИ) и 'Рэлек' (НИИЯФ МГУ). Первый из них предназначен для изучения физических механизмов генерации космических лучей, образующихся в активных процессах на Солнце и в гелиосфере, второй предназначен для исследования физических механизмов воздействия энергичных частиц солнечного, магнитосферного и атмосферного происхождения на атмосферу Земли.

 

Мониторинг, проводимый в рамках этих исследований, является необходимым как в фундаментальном аспекте (изучение физических процессов генерации и распространения частиц), так и в прикладном (задачи, связанные с космической погодой). Последнее особенно важно, поскольку космические лучи являются одним из главных факторов космической погоды и представляют радиационную опасность для экипажей, электронных систем и солнечных батарей на борту космических кораблей. Одним из результатов исследований будет создание динамической модели низковысотной радиации и верхней атмосферы, позволяющей выполнять необходимые инженерные расчеты, связанные с обеспечением безопасности полетов космических и высотных летательных аппаратов. Эксперимент 'Конус-М' (ФТИ РАН) позволит провести исследования космических гамма-всплесков. Природа таких источников и механизм генерации в них гигантских потоков жесткого электромагнитного излучения представляют собой важнейшую нерешенную проблему современной астрофизики. Наблюдения гамма-всплесков занимают одно из приоритетных мест в программе работ европейских, американских и японских ученых.  А эксперимент 'Странник', в котором ИКИ РАН объединяет порядка десяти участников, предполагает многомасштабные измерения - от инерционной длины электрона до межзвездного ветра. В рамках этого эксперимента предлагается начать создание на основе МКА отечественной подсистемы многомасштабного исследования турбулентной плазмы, а также геофизического патрулирования: полярных сияний, атмосферных потерь, магнитных бурь, неблагоприятных для здоровья дней, вредных излучений, предвестников землетрясений и т.д. - т.е. отечественной подсистемы мониторинга космической погоды. Спектр предложенных научных программ для выполнения их с использованием МКА весьма широк. Представленный выше перечень может быть продолжен. Эксперимент 'Астрогон' (КИА Системы), который предполагает создание гиперспектрального микроспутника высокого пространственного и спектрального разрешения. МКА с такой целевой полезной нагрузкой будет в состоянии проводить:

 

- мониторинг технических сооружений, в т.ч. трубопроводов, транспортных магистралей, линий электропередач, наземных и подземных городских сетей, мостов, хранилищ, предприятий, электростанций, газо и нефтеперекачивающих станций, аэродромов, буровых вышек, плотин, карьеров, атомных станций;

- контроль морских судов, самолетов, движущихся поездов;

- поиск месторождений полезных ископаемых;

- поиск рыбных ресурсов и оценку продуктивности морских биозапасов; 

- мониторинг сельхозугодий - оценку вегетационных процессов и качества земли;

- мониторинг чрезвычайных ситуаций и оценку их последствий и т.д.

 

Эксперимент 'Гаммаскоп' (НИИЯФ МГУ), предназначенный для мониторных наблюдений астрофизических источников и фона гамма-излучения. Основная цель - мониторные наблюдения всего неба в гамма и оптическом диапазонах. Исследование указанных явлений напрямую связано с такими фундаментальными проблемами современного естествознания, как происхождение и эволюция Вселенной. Кроме того, в эксперименте предполагается проводить исследования, имеющие 'прикладной' характер, в том числе отслеживать потенциально опасные астероиды и крупные метеориты, а также крупные фрагменты космического мусора. Эксперименты 'Океан' и 'Цветок', предназначенные для оперативного мониторинга поверхности Мирового океана. В рамках этих экспериментов предполагается изучение динамики и детальной структуры океанической поверхности (приливов, цунами, гигантских циркуляций и течений, штормовых волн и т.п.), уточнение топографической карты поверхности Земли, проведение биологического и экологического мониторинга морей и океанов.  В числе ближайших межпланетных задач - исследования Луны. Нынешний интерес к Луне во многом связан с тем, что она рассматривается как возможный источник минеральных ресурсов, полигон для проведения научных экспериментов, а также как база для дальнейших исследований Солнечной системы и Вселенной.  Для будущей колонизации Луны первым шагом является ее комплексное исследование, включающее в себя изучение ее недр, поверхности и окололунного пространства.

 

Помимо чисто прикладного аспекта комплексное исследование Луны имеет значение и для многих фундаментальных задач космических исследований. В частности, к ним относятся: происхождение планет и их спутников в Солнечной системе, взаимодействия солнечного ветра, метеоритных потоков с реголитом поверхности планет и небесных тел. Эксперимент 'Лунная дорога' (ИКИ РАН) предназначен для исследования окололунного пространства и поверхности Луны с помощью малого космического аппарата. Эксперимент 'ЛОРД' - Лунный Орбитальный Радиодетектор (НИИЯФ МГУ) имеет целью изучение природы и спектров космических частиц с наибольшими достижимыми в природе ('ультравысокими') энергиями, что на сегодня является одной из наиболее актуальных задач современной науки. Наряду с решением основной астрофизической задачи аппаратура спутника может быть использована для получения информации о Луне и ее окружении, представляющей интерес для таких областей науки, как планетология, физика космической плазмы и т. п.  Такой обширный перечень научных задач является подтверждением интереса научных организаций к малым космическим аппаратам и приводит к выводу о необходимости расширения программы научных исследований с использованием таких средств. При работе над унифицированной платформой 'Карат' НПО им. С.А.Лавочкина опиралось на многолетний опыт создания, изготовления и эксплуатации КА научного назначения, в том числе и малых аппаратов, таких как, например, долгоживущая автономная станция в рамках программы 'Фобос' - один из первых полномасштабных КА такого класса, созданных в открытом исполнении. Проектные работы по МКА проводились с учетом унификации составных частей и платформы в целом, адаптации ее для выполнения широкого круга задач. Одна из основных целей упомянутой идеологии построения унифицированной платформы - обеспечение перехода от создания уникальных единичных изделий с циклом разработки и изготовления 5:10 лет к технологии ускоренного и  экономичного производства малоразмерных КА, содержащих в своем составе максимальное количество унифицированных  функционально законченных модулей. 

Унифицированная малоразмерная платформа 'Карат' состоит из следующих основных модулей:

- базовая платформа;

- служебный модуль, включающий унифицированные сменные (при необходимости) приборные модули со стандартными интерфейсами;

- модуль системы энергоснабжения;

- модуль двигательной установки;

- модуль целевой полезной нагрузки.

 

После проведения проектного анализа в качестве основы конструктивно-силовой схемы была определена термостабилизированная платформа, объединенная с опорной конструкцией. На нижней плоскости термостабилизированной платформы устанавливаются приборные модули служебного комплекса. На верхней плоскости  размещается механический интерфейс для установки комплексов научной (целевой) аппаратуры.  В центре термостабилизированной платформы, на нижней ее стороне располагается модуль двигательной установки. Основное назначение двигательной установки унифицированной платформы - обеспечение и поддержание параметров рабочей орбиты в соответствии с требованиями со стороны целевой полезной нагрузки.

 

Компоновка МКА обеспечивает возможность свободного доступа ко всем системам и аппаратуре МКА на всех этапах сборки и испытаний. Масса унифицированной платформы 'Карат' с учетом заправки топлива и конструктивного резерва составляет 96 кг, при этом она способна нести на борту до 60 кг полезной нагрузки. Срок активного существования на орбите не менее трех лет. Радиокомплекс, работающий в S-диапазоне, обеспечивает скорость передачи информации на пункт приема не менее 3 Мбит/с.  МКА на базе унифицированной платформы 'Карат' может быть выведен на орбиту как в качестве автономного, так и попутного груза. При этом возможности по формированию его рабочей орбиты могут быть расширены благодаря использованию разгонной двигательной установки, созданной ранее в НПО им. С.А.Лавочкина в рамках работ по проекту 'Солнечный парус'. В настоящее время в НПО им. С.А. Лавочкина продолжаются работы по дальнейшему улучшению тактико-технических характеристик унифицированной платформы 'Карат' в целях повышения ее конкурентоспособности на мировом рынке. Создание и эксплуатация МКА на базе платформы позволит России возобновить и значительно расширить группировку космических аппаратов научного назначения и существенно укрепить свои позиции в области исследования Земли и космического пространства.