Проект № 14.575.21.0154

Проект "Разработка платформы сверхмалых космических аппаратов для создания группировки спутников с поддержкой оптических каналов связи и распределенным наземным сегментом управления" (идентификатор соглашения RFMEFI57517X0154)
Работа выполняется при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках соглашения о предоставлении субсидии от «26» сентября 2017 г. № 14.575.21.0154 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Руководитель проекта
Задорожный А.М.

Срок выполнения
октябрь 2017 г. — декабрь 2019 г.

Основная цель проекта
Разработка отечественной универсальной модульной платформы СмКА, совместимой со стандартом CubeSat. Создание инфраструктуры для полноценной наземной экспериментальной отработки и управления СмКА на этапе летной эксплуатации.
За последние годы СмКА получили широкое применение в различных областях науки. Ежегодно в мире создаются сотни СмКА, непосредственно в форм-факторе CubeSat или совместимых с ним, в России – единицы. При этом Россия по-прежнему остается лидером в космических запусках. Российскими ракетами-носителями было выведено множество зарубежных КА формата CubeSat, имеющих стандартизированный транспортно-пусковой контейнер (ТПК). Одна из главных причин такого отставания – отсутствие инфраструктуры и сервисов, обеспечивающих быструю и относительно дешёвую разработку специализированных СмКА.
Настоящий проект направлен на ликвидацию объективного отставания России в применении сверхмалых космических аппаратов (СмКА, наноспутников, массой до ~20 кг) в освоении и использовании космического пространства. Результаты проекта позволят повысить доступность космических экспериментов в различных научных направлениях большому количеству научных коллективов (от крупных компаний до небольших научных лабораторий). 

Основные направления проекта

  • Разработка собственной универсальной модульной платформа СмКА
    В рамках проекта будет разработана универсальная модульная платформа сверхмалого космического аппарата с набором всех необходимых базовых модулей, включая шасси и набор исполнительных систем, совместимых по конструктиву с форматом CubeSat (ГОСТ ISO 17 770).
    Для платформы также будет подготовлено программное обеспечение и типовой комплект сопроводительных документов о годности и готовности к запуску МКА Модульность платформы обеспечит возможность проектирования относительно недорогих СмКА в короткие сроки под конкретные задачи заказчика. Совместимость с наиболее распространенным в мире форматом СмКА позволит расширить возможности проектирования СмКА за счет возможности применения, в случае необходимости, импортных модулей, а также вывести модули собственной разработки на мировой рынок.
  • Исследование и разработка системы оптической связи «спутник – Земля»
    Отдельное направление работы - исследование возможностей обеспечения высокоскоростной связи между космическим аппаратом и наземным комплексом управления по оптическому (лазерному) каналу. Применяемые в настоящее время радиоканалы с пропускной способностью до ~5 Мбит/с недостаточны для передачи мультиспектральных снимков с высоким разрешением или тем более видеоизображений.
    В рамках данного проекта планируется провести исследования оптической (лазерной) системы связи «спутник – Земля» и в перспективе «спутник – спутник». Будет проведен НИР лабораторного макета оптической связи на базе волоконного лазера с синхронизацией мод с внешним модулем модуляции лазерного излучения для формирования сигнала связи и модулем фотоприёмника с демодулятором для регистрации сигнала связи. В качестве насыщающегося поглотителя для синхронизации мод планируется использование нелинейного усиливающего петлевого зеркала, а также безматричных углеродных нанотрубок. 
    Ожидается, что лазерная система связи будет более эффективной для использования на СмКА, чем разрабатываемые в настоящее время высокоскоростные радиоканалы связи в СВЧ-диапазоне.
  • Создание комплекса стендов для наземной экспериментальной отработки СмКА
    Неизбежный этап изготовления любого КА – проведение испытаний с целью подтверждения его технических характеристик. Для обеспечения возможности полноценной наземной экспериментальной отработки СмКА и их составных частей планируется создание испытательных стендов с применением существующего оборудования, а также доработка и дооснащение оборудованием для создания новых стендов.
    Для каждого стенда будут написаны типовые программы-методики испытаний для отработки составных частей СмКА, самих СмКА, а также бортовой спутниковой аппаратуры для радиционных больших КА. В основу методик ляжет опыт проведения НЭО бортовой спутниковой аппаратуры собственной разработки для крупнейших предприятий космической отрасли РФ.
  • Разработка «облачного» наземного сегмента управления полетом СмКА на базе существующих наземных станций радиосвязи
    Возможность проведения собственного космического эксперимента определяется не только возможностью собрать СмКА (или заказать его у отдельных разработчиков), но и наличием собственного НКУ (наземного комплекса управления) для связи со спутником. Приобретение, установка и последующая эксплуатация собственного НКУ составляет до 30% общего бюджета на создание и запуск СмКА.
    В настоящем проекте ставится задача создания распределенной системы связи с СмКА на базе большого количества уже существующих радиокомплексов для увеличения длительности сеанса связи.
    Суть данного направления проекта - объединение существующих разрозненных наземных комплексов управления (НКУ) в единую сеть под управлением сервера со специализированным программным обеспечением собственной разработки. Данное программное обеспечение будет в автоматическом режиме задействовать в каждый момент времени то НКУ из сети, которое обеспечивает наиболее уверенную связью с СмКА. Таким образом планируется значительно увеличить среднее время связи с СмКА на одном витке и в течение суток, то есть дополнительно решить проблему повышения объема передаваемых данных с СмКА на Землю. 
    Подобный сервис позволит проводить космические эксперименты заказчикам, не имеющим собственных НКУ, значительно снизить стоимость космического эксперимента, при этом увеличить время сеанса связи своего СмКА с «Землей» на одном витке.
    В результате выполнения проекта планируется запустить прототип действующей системы «облачного» НКУ с демонстрацией ее возможностей на примере уже эксплуатируемых СмКА компаний-партнеров.

Итоговым этапом проекта станет создание опытного (протолетного) образца сверхмалого космического аппарата, проведение его наземной экспериментальной отработки и подготовка к запуску для летных испытаний (в целях демонстрации возможностей разработанной универсальной платформы и достаточности созданного комплекса стендов для наземной отработки).

Основные ожидаемые результаты

  • Готовая, доступная и простая в использовании платформа (совместимая со стандартизированным транспортно-пусковым контейнером), пригодная для установки на нее широкого ряда полезной нагрузки.
  • Комплект рабочей документации на составные части (базовые модули) универсальной модульной платформы СмКА.
  • Проект технического задания на проведение ОКР по разработке системы оптической (лазерной) связи «спутник – Земля», совместимой с разработанной платформой СмКА.
  • Алгоритмы унифицированного управления наземными комплексами управления и организации их в единую сеть, реализованные в программном обеспечении «облачного» наземного комплекса управления полетом СмКА.
  • Комплект типовых программ-методик для проведения испытаний СмКА и их составных частейна каждом из испытательных стендов.
  • Комплект рабочей документации на опытный (протолетный) образец СмКА.
  • Опытные образцы базовых модулей разрабатываемой универсальной платформы СмКА.
  • Макет системы оптической (лазерной) связи «спутник – Земля» для проведения исследований и демонстрации реализуемости идеи.
  • Прототип «облачного» наземного комплекса управления полетом СмКА, включающий серверную станцию и собственный наземный комплекс управления.
  • Комплекс стендов для наземной отработки СмКА и их составных частей.
  • Опытный образец спутника на базе разработанной платформы СмКА в базовой комплектации, подготовленный к летным испытаниям.

Этапы проекта

  • 1 этап - дата подписания – 30.12.2017 г.
    Эскизный проект
  • 2 этап (1 очередь) — 01.01.2018 г.— 30.06.2018 г.
    Разработка рабочей конструкторской документации (РКД) на опытные образцы изделий.
    Лабораторное и компьютерное моделирование составных частей платформы.
    Разработка лабораторных моделей модулей, обеспечивающих оптическую (лазерную) связь.
    Разработка и изготовление комплекса стендов для наземной отработки изделий 
  • 2 этап (2 очередь) — 01.07.2018 г. — 31.12.2018 г.
    Разработка и изготовление опытных образцов базовых модулей платформы.
    Разработка прототипа «облачного» наземного комплекса управления (НКУ) полетом.
    Проведение лабораторных исследований модулей, обеспечивающих оптическую (лазерную) связь.
    Разработка и изготовление комплекса стендов для наземной отработки изделий.
  • 3 этап (1 очередь) — 01.01.2019 г. — 30.06.2019 г.
    Проведение автономных испытания опытных образцов базовых модулей платформы, корректировка РКД и доработка опытных образцов по результатам автономных испытаний, интеграция модулей в опытный образец СмКА.
    Доработка лабораторных моделей модулей, обеспечивающих оптическую (лазерную) связь.
  • 3 этап (2 очередь) — 01.07.2019 г. —31.12.2019 г.
    Проведение предварительных и комплексных испытаний опытного образца СмКА, корректировка РКД и доработка опытного образца по результатам предварительных и комплексных испытаний, корректировка РКД, присвоение РКД литеры «О». 
    Разработка ТЗ на ОКР по разработке системы оптической (лазерной) связи «спутник – Земля».
    Подготовка опытного образца СмКА к летным испытаниям.

Результаты выполнения работ по Этапу 1:

  • Разработаны материалы эскизного проекта, включающие в том числе аналитический обзор текущего состояния отрасли малых космических аппаратов и патентный поиск
  • Определен проектный облик СмКА
  • Выполнено макетирование радиомодулей и прототипирование элементов шасси СмКА
  • Проведены тепловой и механический анализ конструкции СмКА

В качестве развития существующей деятельности по космическому приборостроению, а также для создания новой точки роста компетенций НГУ, НТС НГУ принял решение о создании лаборатории малых космических аппаратов.