Дмитрий Рис, инженер Сколтеха: создание спутников — немножко детективная история

Дмитрий Рис, главный инженер Центра системного проектирования Сколтеха, рассказал в проекте ТАСС "Беседы с Иваном Сурвилло" про разработку спутников, страх и привлечение школьников к космической деятельности.

— Что было самое трудное в создании спутника? 

— Несколько месяцев, когда были испытания. 

Во время разработки спутника на бумаге вроде все замечательно и должно сразу работать, достаточно только включить. На макете спутника тоже все работает. Но когда все части собираются в спутник, где совершенно другие условия по взаимным излучениям, другие температурные условия — каждая плата начинает влиять на соседа, — и когда дело доходит до термовакуумной камеры, вибростенда и стенда измерения электромагнитной совместимости, то понимаешь, что ничего не работает, как должно. 

Дальше начинается отладка — длительная, сложная, потому что мы не можем полностью воссоздать все условия космического полета и нахождения спутника на орбите. Только частично: создаем вакуум, добавляем температуры, но при этом спутник находится в железной камере, где совершенно другие радиоизлучения. Нам приходится самим выяснять причины, постепенно подключая или отключая модули, меняя условия, убирая вакуум, добавляя вакуум… 

Очень много нюансов. Все компоненты работают по-разному, компоненты разных производителей… Далеко не всегда то, что написано в технических условиях, соответствует реальности. Например, производитель говорит: мой компонент работает от минус 40 до плюс 80 градусов. Но это же температура воздуха. А если вакуум, то он уже через три дня не работает в этом диапазоне из-за того, что условия теплоотвода сильно меняются.

Испытания занимают больше полугода, потому что тот же вакуум, например, создается приблизительно четыре часа. Дальше мы спутник в вакуумную камеру поставили, он трое суток стоит, работает, и только через трое суток мы выясняем, что нужно его вскрыть, заменить один компонент, который барахлит, и снова спутник поставить в вакуумную камеру на трое суток.

— Не устаешь от этого?

— Устаю, конечно, но что поделать — вариантов других нет.

Самое сложное — создать имитацию полета. На Земле спутник стоит, а там он будет двигаться на большой высоте и с огромной скоростью — 7,5 тыс. м/с.

— Если мы не можем полностью создать все условия — нет ли страха, что что-то случится в космосе?

— Этот страх никуда не уходит. Даже если ты десять раз все протестировал на Земле, что будет в космосе — никто не знает. Есть даже такое правило: если на Земле все работает, значит, что-то мы упустили. 

Когда спутник готов, он упаковывается в транспортно-пусковой контейнер и дальше находится в предстартовом состоянии, готовый включиться. Десять раз перед этим он включался — включится ли он в 11-й раз? Должен, но включится ли? Самое тяжелое — ждать, когда твои спутники в чьих-то руках. 

Второй момент: приблизительно недели две спутник находится в контейнере, с ним что-то делают, а нас уже рядом нет. Как себя поведет батарея, выдержит ли предстартовую подготовку и сам старт? 

Наши спутники отделяются предпредпоследними. После этого идет некоторое время радиотишины, обязательное, чтобы спутник не влиял на электронику разгонного блока "Фрегат". Здесь важно, как сработает раскрытие антенн. Все антенны достаточно крупные, а объем в контейнере маленький, нам их приходится сворачивать, и мы не знаем, раскроются ли они. Не знаем, включится ли спутник, в каком состоянии окажутся батареи, хватит ли ему заряда, чтобы хотя бы что-то передать первое время. И главное — правильно ли мы рассчитали условия, в которых он будет работать дальше? Правильно ли рассчитан энергобаланс? Все, что в спутнике находится, потребляет электроэнергию, а получить он ее может только от солнечных панелей. 

К счастью, сейчас энергобаланс у нас положительный — по телеметрии, которую мы видим, спутник включился и антенны раскрылись. Теперь можем включать какие-то полезные нагрузки. 

— Помнишь ощущение, когда вы поймали сигнал самый первый раз?

— Это было пару дней назад, я испытал огромную радость. Вроде бы ты его ожидал, но когда сигнал поймали — это было так здорово! 

Я очень ждал сигнал и, может быть, даже чуть-чуть перегорел, потому что мы приняли его не на первом витке, как другие компании, из-за некоторых проблем с наземной базовой станцией. Мы знали заранее, что спутники выведены и отделились, потому что нам уже пришла телеметрия, что все контейнеры сработали, спутники точно в космосе. Даже как-то спокойнее стало, потому что теперь все зависит только от нас, а не от кого-то еще. 

Все, теперь будем работать со спутником.

— Ты говорил про полезную нагрузку, которую будете включать…

— Да, включать вручную, потому что маленькие спутники класса кубсатов очень редко 100-процентно автоматизированы. 

На больших аппаратах гораздо больше автоматизации. Даже если центр управления полетом будет отсутствовать, спутник дойдет до определенной стадии своей работы и включит полезную нагрузку. Для кубсатов чаще всего такое не нужно, поэтому введение спутника в эксплуатацию идет постепенно. Отделились, раскрыли антенны, дальше включили радиомодуль на передачу чего-то очень-очень маленького: что со спутником сейчас. 

Какое-то время спутник просто летает, и мы собираем информацию: что с ним происходит, каков энергобаланс, можем ли мы позволить ему включать что-то более потребляющее.

Пока мы включили минимум: работает бортовая вычислительная машина, радиопередатчик и система электропитания. Дальше мы начнем пробовать передавать на него команды и проверять, как он их воспринимает, не ошиблись ли мы где-то. К счастью, у нас всегда есть возможность перепрошить бортовую вычислительную машину прямо на орбите; это сложно, долго, но если уж без этого никак, мы сможем это сделать. 

Всегда бывают ошибки, абсолютно всегда. Даже если мы будем 20 лет разрабатывать код, обязательно где-нибудь ошибемся. Причем узнаем об этом только тогда, когда включим спутник в космосе. Все производители спутников подстраховываются и закладывают возможность перепрошивки прямо на орбите, и чаще всего все пользуются этим.

Единственное, что мы можем сделать перед пуском, — вычистить код от ошибок, которые сразу приведут спутник к неработоспособному состоянию, а дальше перепрошиваться постепенно, наращивая функционал. Мы пока не весь функционал заложили в прошивку, он может гораздо больше. 

— Честно, пока так и не понял, чем спутник в космосе должен заниматься. Объяснишь?

— Вообще, у космических спутников есть четыре основные области применения: дистанционное зондирование Земли (фотосъемка, радиозондирование), навигация, связь и научные исследования космоса. По навигации — этот сектор полностью государственный. Вы его используете каждый день, когда закладываете любой маршрут в "Яндекс.Навигатор": ваш телефон сначала выдает положение, потом прокладывает маршрут относительно него. 

Насчет связи — мы тестируем сейчас межспутниковую связь, для обеспечения "роевого поведения" спутников. Хочется, чтобы спутники не просто летали в группировке, но еще между собой о чем-то договаривались и принимали собственные решения по алгоритму, который в них заложен. 

Пока, в текущей парадигме, каждый спутник управляется отдельно. Даже если вы берете ту же ГЛОНАСС или большие другие группировки, каждый спутник имеет свою циклограмму работы. Обеспечением группового поведения занимается оператор на Земле. Это накладывает определенные ограничения.

— Например?

— Если у вас что-то происходит в космосе, а у вас нет связи, то спутник не знает, что ему делать. Мы хотим их научить разговаривать между собой, чтобы они принимали совместные решения. 

Например, мы закладываем определенные алгоритмы по наведению на звезду как на цель (например, на звезду, от которой ожидается вспышка гамма-лучей). Один из сценариев, который может быть, — какой-то спутник видит что-то интересное, говорит остальным: ребята, быстро перестраиваемся, смотрим на конкретные координаты. Мы на Земле наблюдаем, что спутники приняли решение и отреагировали на событие, о котором мы бы даже не узнали. Так решается задача научного освоения космоса. 

Есть еще задача по связи коммерческой, там два больших класса: связь узкополосная и широкополосная. Первая — достаточно медленные каналы связи, но дешевые, так называемый космический "интернет вещей", в котором маленькие-маленькие датчики на Земле разговаривают с космическим аппаратом наверху.

Например, датчик температуры стоит в удаленном лесу, где может начаться пожар. Этот датчик сообщает: ребята, очень жарко. Рядом стоит датчик влажности, который добавляет: и очень сухо, а еще очень высокий ветер. То есть пожароопасность резко возрастает. Если у вас такие датчики раскиданы на большом районе, то вы заранее можете понять, что нарастает пожароопасность. Дальше предполагается решение органов исполнительной власти, которые будут на это реагировать. 

Широкополосная связь — это всем известный Starlink Илона Маска, вы с помощью небольшой антенны получаете в любом месте мира широкополосный интернет. 

Основная задача наших двух спутников — обеспечить радиосвязь на максимально большом расстоянии, насколько они только смогут. Мы с их помощью проверяем свои расчеты: предполагаем, что они на тысячу километров могут обеспечить радиосвязь. Посмотрим, как будет на самом деле. 

Дальше будет задействован модуль гамма-детектора от НИИЯФ МГУ. Мы будем пытаться выполнить задачу миссии, технологическим демонстратором которой мы являемся: включим детекторы, которые умеют распознавать вспышки. 

Нам надо обеспечить общение спутников в автоматическом режиме друг с другом и выдачу в виде телеметрии информации о том, что первый спутник увидел вспышку, второй спутник увидел вспышку и они примерно знают, где эта вспышка произошла. 

В идеале спутников должно быть не два, а два десятка или три. В этом смысл проекта "Рой": спутники регистрируют гамма-вспышку, детекторы в каждом определяют, что это именно вспышка. Затем спутники по межспутниковой связи связываются друг с другом и передают информацию: было что-то похожее на вспышку. В результате половина спутников, которые оказались в той полусфере, откуда пришла вспышка на самом деле, передадут эту информацию всем остальным.

Спутник, который находится над приемной станцией на Земле, примет эти сигналы, определит, что это действительно была вспышка, потому что все спутники сообщили о ней, вычислит с помощью триангуляции направление на эту вспышку и передаст на Землю инфокарточку установленного образца о том, что зарегистрирована вспышка. Карточка попадает в интернет, и ученые, которые следят за гамма-вспышками, смогут успеть навести свои наземные телескопы на эту вспышку или хотя бы в этот район и что-то узнать про нее.

Спутники сами по себе слишком просты для того, чтобы выступать в роли научного инструмента. Их задача — просто обеспечить оперативность. Вспышка длится короткое время — менее десяти минут. За это время нужно успеть собрать информацию, понять, что это вспышка, передать на Землю, навести телескопы и зарегистрировать как можно больше информации о ней.

— Но пока 20–30 спутников нет. Пока два только.

— Пока есть два спутника, которые в принципе могут сделать все то же самое, за исключением триангуляции. Для нее нужно хотя бы три спутника. 

Если мы покажем на этих двух спутниках, что идея работает, то запустим еще. Как минимум нужно запустить четыре спутника. 

Также нам нужно проверить маршрутизацию сигнала между спутниками. Ведь спутник, который соберет информацию со всех и сформирует информационную карточку для отправки на Землю, может находиться вообще с другой стороны Земли. Тогда напрямую радиосигнал до него не дойдет. Следовательно, каждый спутник в сети должен принять сигнал, понять, что это не ему, и отправить дальше. Мы пока проверяем, насколько эта связь рабочая.

— Почему вы не запустили сразу четыре спутника?

— Во-первых, сделать четыре спутника гораздо сложнее, чем два. Во-вторых, у нас было всего два места для запуска в проекте Space-P. Было бы десять, может быть, мы бы рискнули сделать десять спутников, но опять же… Просто напаять больше плат, сделать больше корпусов — это одно. Провести испытания десяти спутников — уже другая по сложности задача. 

Мы не можем сразу десять спутников испытывать — в термовакуумную камеру входит два. Допустим, мы попарно их испытываем, но как узнать, будут ли работать сразу пять одновременно общающихся друг с другом спутников? 

Пока начали с двух — это минимум, который даст нам понимание, что межспутниковая связь работает. Первая ступенька.

— Чем еще занимается космическая лаборатория?

— Когда мы ее начинали пять лет назад, нашей задачей была разработка относительно дешевых платформ, на основе которых можно проводить научные эксперименты. Здесь мы идем в тренде всего мирового сообщества. 

В России эта тема тогда не была представлена практически никак. Более того, никто в спутники не верил, все говорили, что на их основе ничего сделать нельзя. Мы решили доказать, что это не так. Сейчас, через пять лет работы, уже запущено два десятка спутников и движение получило достаточно серьезный размах.

— Зачем это все Сколтеху?

— У Сколтеха есть две задачи. Во-первых, университет входит в состав институтов развития, и предполагается, что в Сколтехе мы разрабатываем новые технологии и передаем их в коммерческое использование или же государственным структурам, которые их используют в своих целях. 

Проще говоря, у университета нет цели продавать спутники. Если у нас кто-то захочет купить нашу собственную платформу, то мы все технологии выведем в стартап и он уже начнет продавать конкретный продукт. Университет за счет передачи технологий будет получать толику с продаж — это та модель, которую Сколтех успешно реализует. У нас есть несколько стартапов, которые в этой парадигме живут: технология разрабатывается внутри Сколтеха, а потом передается в стартап за роялти. 

Другая задача — образовательная, мы обучаем студентов, и как раз спутники формата "кубсат" — это идеальный инструмент для обучения студентов космическим технологиям. 

Самую большую поддержку в этом проекте мы получили от Фонда содействия инновациям. Они развивают две программы: одна называется Space-P, вторая — "Дежурный по планете", в которых мы активно участвуем. Основной целью программ является привлечение школьников к космической деятельности. Эта задача очень сложная.

— Почему?

— Учитывая нынешний уровень школьников, когда они приходят в лабораторию и видят, что мы делаем, им достаточно сложно объяснить, что происходит. Наша задача состоит в том, чтобы все разложить на простые составляющие, с которыми школьники могут разобраться. 

В чем заключается программа: мы объявляем всероссийские конкурсы, в них заходят порядка 15 тыс. школьников каждый год. Это делается совместно с Российским движением школьников и фондом "Таланты и успех". Из этих тысяч школьников в финальную сессию программы "Дежурный по планете" приезжает порядка 50 школьников. У них уже глаза горят, они хотят что-то делать.

— И могут что-то поделать на реальном спутнике?

— Да! Это очень интересно как раз тем, что на Земле отработать движение спутника очень трудно, а мы даем школьникам потыкать что-то на втором бортовом компьютере, попробовать использовать оборудование, которое на спутнике стоит. У нас два идентичных бортовых компьютера — один, естественно, запрограммирован нами, и мы в нем уверены. Второй в принципе можно использовать, чтобы одаренные дети попробовали свои силы в системе управления.

Если вы придете в любую организацию, которая разрабатывает спутники, вас даже близко не подпустят ни к какому спутнику, потому что системы очень дорогие. 

Наш спутник стоит, если брать просто компоненты, примерно 4–5 млн рублей, в зависимости от колебаний, но мы не учитываем стоимость разработки, стоимость сборки, стоимость тестирования… 

Проблема в том, что школьники очень быстро взрослеют и становятся студентами. Мы можем работать с ними всего год или два. Но уже сейчас мы начинаем натыкаться в разных реальных проектах на наших бывших школьников. Когда им говоришь "кубсат", они: "Я знаю все эти ваши дела, пробовал когда-то". Это как раз одна из основных целей — школьников заинтересовать инженерными науками.

— Не грустно, что столько сил вложено, столько времени, и в итоге через пять лет работы спутники сгорят в атмосфере?

— На самом деле — не грустно. Главное — то, что спутники заработали. Если они отработали первый год, уже хорошо, потому что они делают все, что нужно. Запланирован объем мероприятий с ними, они его выполняют. 

Со временем восторг проходит и все постепенно становится рутиной: летает спутник и летает, мы получаем телеметрию, отдаем команды и проверяем, что со спутником все хорошо. 

Если что-то с ним не так — это дополнительные разбирательства и бессонные ночи. Нужно быстро выяснить, что с ним не так, учитывая, что ты не можешь на него посмотреть и у тебя только телеметрия и отладочная информация.

— В чем для тебя кайф всем этим заниматься?

— В создании сложной необслуживаемой инженерной системы, к которой ты потом не можешь подойти, потому что она в космосе, и ты должен решить задачу: что же там сломалось? Почему спутник работает не так? 

В создание спутников вкладывается очень много сил, эмоций и энергии, но это очень интересно. 

А когда все работает, это приносит большое удовлетворение по той простой причине, что спутники являются одной из самых сложных технических систем, которые существуют.