В настоящее время технические возможности и реальный срок жизни наноспутников неуклонно растёт (например, SwissCube). Один из естественных трендов – переход от единичных наноспутников к спутниковым группировкам. Такие задачи уже начинают решаться сейчас, достаточно ознакомиться с проектами QB50, Planet Labs, Spire.
Чтобы снизить стоимость создания такого облака, необходимо запускать большое число аппаратов одним носителем. После запуска на орбите эти аппараты будут летать как компактный несформированный рой, издали похожий на материальную точку.
Чтобы сформировать из этого роя полноценную группировку – расставить спутники по орбите – необходимо управлять орбитой. Для этого необходима двигательная установка.
К настоящему времени для наноспутников реализованы два типа двигательных установок:
- на базе электронагревных жидкостных реактивных двигателей;
- на базе электроракетных реактивных двигателей.
У них есть свои преимущества и недостатки. Основной недостаток – высокая стоимость. Основное преимущество – малое время построения группировки (от дней для электронагревных до месяца для электроракетных).
Нашим коллективом предложен третий вариант – использование технологии солнечного паруса, разрабатываемой нами в рамках космического эксперимента на российском сегменте МКС.
Суть идеи состоит в возможности управлять площадью миделя нашего двухлопастного солнечного паруса (особенность нашей технологии солнечного паруса в том что его можно раскрыть и сложить неограниченное число раз!). Примечательно, что попытки использовать эту идею в космосе уже были – см. результаты проекта AeroCube-4.
Применение нашего паруса позволяет значительно расширить диапазон возможных площадей миделя, т.е. в итоге ускорить время построения группировки.
Алгоритм построения группировки
Изменение площади паруса приводит к изменению параметров орбиты под действием солнечного давления и сопротивления остаточной атмосферы. Причём как именно изменяются параметры орбиты не так важно (это зависит от многих факторов), важно что при этом изменяется период обращения, что приводит к расхождению аппаратов по орбите на необходимый угол.
Анимация построения орбитальной группировки
Времена раскрытия и закрытия парусов на каждом из аппаратов выбираются исходя из двух условий:
- обеспечение необходимого угла между соседними аппаратами;
- стабилизация этого угла на длительное время.
Диаграмма работы
При этом, что очень важно, не требуется управление ориентацией солнечного паруса. Это значительно упрощает дело, т.к. наш солнечный парус стабилизирован вращением и управление его ориентацией отдельная сложная задача.
К настоящему времени нами проведён определённый объём баллистических расчётов, результаты которых представлены на рисунке ниже. В разработанной нами математической модели учитывается сжатие земли (вторая зональная гармоника) и сопротивление атмосферы (упрощённая модель по ГОСТ ). Учёта этих факторов достаточно для проведения предварительных расчётов, но для проведения более точных исследований мы работаем над уточнением моделей.
Несмотря на недостатки солнечного паруса, как двигательной установки с малой тягой, проведённые экономические оценки показали, что данная технология может быть конкурентоспособной из-за низкой стоимости по сравнению с аналогами (различные двигательные установки для наноспутников). Дешевизна обусловлена простотой используемых технологий и конструкций.
