Общее понятие 'малые спутники', то есть космические аппараты массой до 300 кг, принято разделять на несколько классов: 300-100 кг - мини-спутники, 100-10 кг - микроспутники, 10-1 кг - наноспутники. Сегодня говорят уже и о пикоспутниках, чья масса не превышает 1 кг, хотя в настоящее время такие аппараты представляют собой пока перспективные разработки.
Количество проектов малых аппаратов, которые разрабатываются во всем мире, постоянно увеличивается. Главная причина растущей популярности - относительно низкая стоимость разработки и запуска. Второе преимущество малых КА - сравнительно небольшой срок подготовки аппарата, что вкупе с невысокой ценой существенно снижает возможные риски при неудачном выводе аппарата на орбиту. Конечно, при этом срок их жизни на орбите и функциональность меньше, чем у больших спутников, но тем не менее они позволяют решать достаточно большой спектр задач. Кроме этого, благодаря небольшому времени подготовки и относительной дешевизне можно создавать целые группировки малых спутников, поддерживать которые относительно просто.
Эти же особенности делают малые КА чрезвычайно интересными инструментами для научных исследований. Цикл разработки и подготовки к запуску большого научного спутника (например, орбитальной обсерватории) занимает от нескольких лет до десятилетия. За это время неизбежно устаревает научная аппаратура. Эта естественная для любой космической техники проблема становится менее актуальной в случае микроспутников, так как цикл их подготовки не так велик. Важно отметить, что сами работы по созданию малого КА представляет сложную научную и техническую задачу. Не случайно многие микроспутники, которые летают сегодня, представляют собой пока технологические образцы для отработки элементов систем будущих аппаратов. Таков, например, спутник PROBA-1 (Европейское космическое агентство, запуск 2001 г.), название которого расшифровывается как 'Проект для отработки автономных бортовых систем' (Project for On-Board Autonomy). Его масса составляет 94 кг. Спутник предназначен для технологической отработки в реальных условиях автономных систем управления, навигации, наведения, распределения времени работы приборов и сброса информации. Несмотря на то, что аппарат задумывался прежде всего как технологический эксперимент сроком на один год, он продолжает работать на орбите и сегодня как спутник дистанционного зондирования Земли.
Примеры малых аппаратов можно приводить очень долго, однако интересно отметить, что к их созданию все более активно подключаются университеты, чему также способствует низкая стоимость изготовления таких КА. Образовательная ценность малых спутников двояка. Во-первых, сама их разработка представляет зачастую серьезную техническую задачу. Во-вторых, появляется возможность использовать в обучении данные, полученные непосредственно со спутника, что, безусловно, привлекает интерес студентов.
'Колибри' изучает земную магнитосферу
Использование малых спутников для решения научных задач в Институте космических исследований РАН развивается с начала 2000-х годов. 20 марта 2002 г. на орбиту был выведен российско-австралийский микроспутник 'Колибри-2000' (масса 20,5 кг), разработанный и изготовленный в ИКИ РАН в кооперации с российскими партнерами из космической индустрии и при поддержке РКК 'Энергия'.
При выведении 'Колибри-2000' на орбиту с борта МКС микроспутник помещался в специальный транспортно-пусковой контейнер, который устанавливался на грузовом корабле 'Прогресс М1-7'.
По предварительным баллистическим расчетам, спутник должен был просуществовать на орбите около 4 месяцев, однако, из-за того, что в апреле 2002 г. активность Солнца достаточно быстро возросла и атмосфера Земли разогрелась и расширилась, т.е. поднялась, высота полета спутника начала снижаться. 'Колибри-2000' проработал на орбите полтора месяца и совершил за это время 711 оборотов вокруг Земли. 2 мая 2002 г. аппарат закончил свою работу, войдя в плотные слои атмосферы над Тихим океаном.
'Колибри-2000' предназначался для исследований магнитосферы и ионосферы. Часть экспериментов проводилась в координации с научной аппаратурой, установленной на МКС, что позволило оценить степень влияния самой станции на результаты научных экспериментов. Кроме этого, с помощью спутника проводились самостоятельные исследования. Несмотря на свои малые размеры, 'Колибри-2000' нес два научных прибора: анализатор частиц и полей и магнитометр (масса научного комплекса составила 3,6 кг). С их помощью проводились эксперименты по ряду на-правлений: изучение ионосферы, магнитного поля Земли и особенностей развития магнитных суббурь, атмосферно-ионосферных и литосферно-ионосферных связей (включая проблему регистрации в ионосфере эффектов от землетрясений), структуры и особенностей формирования потоков заряженных частиц под радиационными поясами на низких и средних широтах. Время работы спутника совпало с периодом возмущенного Солнца (17-24 апреля 2002 г.), и наблюдения 'Колибри-2000' помогли прояснить картину того, каким образом повышенная солнечная активность сказывается на состоянии околоземного космического пространства.
Кроме научной, микроспутник выполнял также образовательную функции. 'Колибри-2000' стал первым аппаратом в программе научно-образовательных микроспутников России. Работа непосредственно со школами - это естественный метод информирования широкой общественности о результатах научных исследований и первая ступень для подготовки будущих специалистов в области космических исследований.
Часть научной информации с аппарата передавалась на Землю в радиолюбительском диапазоне, который могли принимать в школах. В эксперименте участвовали школы Москвы, Обнинска и Сиднея (Австралия).
Опыт, полученный в ходе реализации проекта 'Колибри-2000', используется для дальнейшего развития микроспутниковых технологий. С 2004 г. в ИКИ РАН ведутся разработки новой универсальной платформы микроспутников для целей фундаментальных и прикладных научных исследований. Тема 'Создание бортовой платформы микроспутника прикладного и научного назначения на основе современных технологий и разработок' включена в программу фундаментальных исследований Президиума РАН 'Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы'. Будущая платформа уже получила название 'Чибис'.
Платформа 'Чибис' сможет стать основой для спутников самого разного назначения. В ИКИ РАН параллельно с проектированием и созданием собственно платформы также прорабатывается комплекс научной нагрузки и программы работы для возможных космических аппаратов на ее базе, ориентированных не только на фундаментальные, но и на прикладные аспекты космических исследований. В настоящее время в институте готовятся два варианта спутника 'Чибис': первый предназначен для изучения грозовых разрядов с орбиты, второй - для мониторинга парниковых газов и катастрофических явлений в атмосфере и ионосфере Земли.
В центре внимания - грозы
Первым из двух спутников к запуску готовится 'грозовой' 'Чибис-М'. Аппарат предназначен для детального исследования одного из самых загадочных природных явлений, несмотря на то, что человек наблюдает его уже многие сотни лет. Последние десятилетия принесли серьезные изменения в наше понимание природы грозовых разрядов, что было также связано и с космическими исследованиями.
Наблюдатель на Земле замечает лишь небольшую часть энергии, которая выделяется при электрических атмосферных разрядах (разрядах, происходящих между облаками и землей), сосредоточенную, в основном, в оптическом диапазоне и энергии звука: то есть, фактически видит молнию и слышит гром. Но в начале 1990-х гамма-обсерватория COMPTON (НАСА, время работы 1991-2000 гг.) обнаружила исключительно мощные импульсы гамма-излучения земного происхождения, которые были связаны с молниевыми разрядами. Позже эти наблюдения подтвердил спутник RHESSI (НАСА, запуск 2002 г.).
Кроме этого, во время гроз были обнаружены радиоимпульсы сверхвысокой мощности и энергии, создававшие радиоизлучение в очень широком диапазоне частот. Интересно отметить, что они появлялись чуть раньше самих молний - в течение 2-3 предшествующих миллисекунд. Наконец, эти импульсы были зарегистрированы и на Земле.
В основе этих феноменов лежит физическое явление, которое было в начале 1990-х теоретически предсказано академиками А.В. Гуревичем и К.П. Зыбиным в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. Оно получило название 'пробой на убегающих электронах'. Первоначально на грозовом облаке (высота приблизительно 10-20 км) накапливается заряд. Затем, в результате некоторого 'затравочного' события рождается лавина электронов низких энергий, которые, двигаясь в большом электрическом поле, созданном электрическим зарядом на грозовом облаке, разгоняются до релятивистских скоростей и генерируют мощные импульсы радио-, ультрафиолетового и гамма-излучения. Затравочным событием, как предполагается, служит попадание в промежуток между заряженным облаком и Землей высокоэнергичных космических лучей.
Весь этот процесс происходит до разряда между Землей и облаком, видимого в оптическом диапазоне, и занимает несколько сотен миллисекунд, а длительность серии всплесков - всего несколько десятков микросекунд. Наблюдать эти явления с Земли практически невозможно: поток электронов, генерирующих импульсы, направлен, в основном, вверх, так как идущий вниз почти сразу же поглощается в атмосфере. Порожденное им излучение распространяется далее по всем направлениям, но по пути вниз, к Земле, гамма-фотоны высоких энергий практически сразу же поглощаются земной атмосферой, и лишь по дороге вверх, где ее плотность резко уменьшается, они могут проникнуть в околоземное пространство и наблюдаться спутниками.
Первый из микроспутников 'Чибис-М' предназначен для детального изучения этих процессов в самом широком диапазоне энергий - от радио- до гамма-излучения. Кроме сугубо научного, изучение этого явления представляет и практическую важность. Прежде всего, сверхмощное гамма-излучение на высотах 10-20 км - это потенциальная опасность для экипажей и пассажиров самолетов. Кроме этого, гамма-излучение, которое все же достигает Земли, покрывает большие площади, что может оказаться важным как с точки зрения экологии, так и с точки зрения безопасности людей. Наконец, сверхмощные одиночные радиоимпульсы имеют мощное излучение практически во всем используемом диапазоне радиоволн (до 3 ГГц и выше) и могут служить удобным природным источником излучения для создания глобального мониторинга радиосвязи.
Кроме ИКИ РАН, в проекте участвуют Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.Н. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова и РКК 'Энергия'. Научные руководители проекта - член-корреспондент РАН Л.М. Зеленый (ИКИ РАН) и академик РАН А.В. Гуревич (ФИАН).
Масса спутника 40 кг, комплекса научной аппаратуры - 12,5 кг. Состав научной аппаратуры спутника по-настоящему уникален: впервые исследования грозовых разрядов будут проводиться в столь широком спектре электромагнитных излучений. В него входят: рентген-гамма детектор, детектор ультрафиолета (разрабатываются в НИИЯФ МГУ), радиочастотный анализатор и цифровая фотокамера (ИКИ РАН). Кроме этого, в состав научного комплекса входит система сбора, анализа, хранения и передачи информации, которая разрабатывается в ИКИ.
Задача, которую предстояло решить разработчикам, была нетривиальной. Научные приборы 'Чибиса-М' обладают очень высоким временным разрешением (порядка наносекунды), и объем получаемой ими информации чрезвычайно велик - за очень короткое время (порядка 10 миллисекунд) необходимо проанализировать и запомнить до 100 гигабайт данных. При таком объеме вести непрерывную запись наблюдений невозможно. Кроме этого, грозы - относительно редкое явление, поэтому перед разработчиками встала проблема выбора события-'триггера', по которому данные наблюдений будут записываться в кольцевую память прибора, а затем передаваться в общую память и на Землю.
Как и его предшественник 'Колибри-2000', 'Чибис-М' - научно-образовательный спутник. Часть его научной информации планируется передавать в радиолюбительском диапазоне, который можно принимать непосредственно в школах.
В рамках данной программы создается и наземная инфраструктура, обеспечивающая прием и обработку информации с космического аппарата. Центр приема и управления микроспутниками организуется в Специальном конструкторском бюро космического приборостроения ИКИ РАН в г. Таруса (Калужская обл.).
В летном виде спутник будет готов к концу текущего года. По предварительной договоренности с ракетно-космической корпорацией 'Энергия', запуск аппарата произойдет в 2009 г. с использованием инфраструктуры МКС, по схеме, схожей со схемой запуска 'Колибри-2000'. В космос 'Чибис-М' выйдет из транспортно-пускового контейнера, размещенного на 'верхней' открытой части корабля 'Прогресс', который поднимет высоту круговой орбиты микроспутника до 500 км. Планируемый срок работы - 2 года.