PeruSat-1
PeruSat-1
В прошлых сериях были представлены микроспутник SkySat американской компании Space Systems / Loral, малый Deimos-2 из Южной Кореи и спутники DMC-3, созданные британской SSTL в интересах иностранного заказчика. Теперь предлагается оценить решение европейским концерном Airbus DS задачи создания космического комплекса дистанционного зондирования Земли на базе малого аппарата PeruSat-1 в интересах Космического агентства Перу.
Проект был выбран по нескольким причинам. Во-первых, стоимость контракта составила 186 млн. долл. США [1] в ценах 2014 года. Это (навскидку и примерно) вдвое выше рынка. Во-вторых, аппарат был создан Airbus DS в рекордный срок - всего за два года (если быть до конца точным, то от подписания контракта до передачи спутника на управление заказчику прошел 31 месяц). В-третьих, в сети про аппарат найдены противоречивые сведения: перуанские заказчики и Airbus заявляют, что аппарат смог за год окупить все инвестиции. А перуанские журналисты говорят (к сожалению, на испанском) о технических проблемах со спутником.
Создание PeruSat'a
Предложения Airbus DS и SSTL
Нельзя сказать, что решение о заказе космической системы у Airbus DS было принято Космическим агентством Перу, CONIDA мгновенно и однозначно. Мне встречалась информация, что сначала были планы строить собственный спутник Conidasat-1 своими силами, и для этого в 2001-м году было даже создано чистое помещение. Но затем в CONIDA пришли к традиционной идее начинающих космических держав - и решили заказать космическую систему «под ключ». Понятно, что дальше был сделан запрос и обзор предложений. В блоге аппарата (он содержит, в основном, критику проекта) был найден слайд с предложениями Airbus и SSTL, где последние за меньшие деньги не только предлагают целых три аппарата, но еще - и передачу технологий в рамках создания самого простого спутника на платформе SSTL-100. Airbus же смог сделать уникальное предложение: с первого дня контракта и на тринадцать лет CONIDA получила доступ к данным других спутников Airbus, как оптических (Pleiades и SPOT6), так и радиолокационных. Правда, как пишут в упоминавшемся блоге, реально доступ был дан с опозданием на 15 месяцев, но будем считать это позицией хейтеров. Да и заказ у SSTL в 2014-м году радиолокационного спутника NovaSAR-S тоже выглядит покупкой «кота в мешке», т. к. первый такой аппарат был запущен только осенью 2018-го. В общем, итог известен - 25 апреля 2014 года Airbus получил большой экспортный заказ на создание космической системы и энергично взялся за дело. За пять месяцев была создана космическая платформа, за восемь - полезная нагрузка. Еще пять месяцев заняли испытания, и 16 сентября 2016 года состоялся запуск спутника. Далее события происходили так:
18-23 сентября - произведен подъем орбиты до высоты 698 км.
12 октября - получен первый снимок;
7 декабря 2016 года - аппарат передан на управление специалистам заказчика в центре CNOIS.
Тактико-технические характеристики
Разрешение при съемке в надир (проекция пиксела): 0,7 м в панхроматическом диапазоне и 2,8 м в спектральных каналах.
Заказчик: CONIDA, Перу.
Исполнитель: Airbus DS, Франция.
Запуск: РН Vega - Куру, Французская Гвиана - ELV - 16.09.2016 г. - 01:43:35 UTC [1].
Орбита: солнечно-синхронная, высотой 695 км, местное время пересечения нисходящего узла (LTDN) - 10:26.
Масса: 430 кг (в том числе 28 кг топлива).
Габариты в транспортном положении - 1,0 х 1,0 х 1,7 м.
Срок активного существования: 10 лет.
Стоимость контракта: 184 (или даже 196) млн. $ [1].
Страница проекта на сайте eoportal.org
Страница спутника на сайте spaceflight101
Страница спутника на сайте Airbus
Космический аппарат
Космический аппарат состоит из платформы AstroBus-250 (еще мне встречались наименования AstroBus-S и AstroBus-300) и полезной нагрузки NAOMI. Чтобы лучше понять, как создателям аппарата удалось выдержать рекордные сроки, стоит рассмотреть историю создания каждого компонента.
Полезная нагрузка NAOMI
Состав и интерфейсы полезной нагрузки
История
NAOMI (New AstroSat Optical Modular Instrument) - это целое семейство полезных нагрузок разработки Airbus DS. Прибор первого поколения, NAOMI 310, был создан в рамках контракта с Алжиром по созданию спутника AlSat-2 и имел характеристики, сопоставимые с целевой аппаратурой отечественных «Канопусов-В» (геометрическое разрешение 2,5 м в панхроматическом канале (далее ПК, их у нас будет много) и 10 м в мультиспектральном канале (МК) с орбиты высотой (Н) 680 км). Темп создания данного аппарата - вполне канонический для отрасли: контракт в феврале 2006 года, запуск - в июле 2010-го. Про инструмент первого поколения есть великолепная статья [2], из которой и вытащена большая часть приведенных ниже сведений. Там указано, что инструмент, как и советская ракета Р-7, обладает большим потенциалом для модернизации.
Поэтому прибор NAOMI чилийского спутника SSOT по характеристикам опередил «Канопус-В» и практически достиг уровня аппаратуры «Аврора» спутника «Аист-2Д»: (геометрическое разрешение 1,45 м в ПК и 5,8 м в МК при съемке с Н = 620 км). Разрешение улучшили на метр, а срок - примерно на год: контракт был заключен в июле 2008-го, запуск - в декабре 2011-го. Да, до запуска «Аиста-2Д» оставалось еще почти пять лет.
Далее портфель заказов на NAOMI обеспечил работу Airbus в набранном за пару лет темпе «1 спутник в год»:
2012 год - SPOT-6;
2013 год - VNREDSat-1A для Вьетнама;
2014 год - SPOT-7.
И вот тут было создано новое поколение инструмента NAOMI. Прибор здорово «повзрослел» (шутка ли, главное зеркало стало иметь диаметр 650 мм, как на «Плеядах»), его первый полет состоялся на аппарате KazEOSat-1 для Казахстана (запуск 30.04.2014 г.), а второй - через два с половиной года - на борту PeruSat-1. По данным eoportal.org аппаратура на этих спутниках одинаковая, но из-за более низкой орбиты перуанского аппарата в его случае разрешение выше.
Устройство
Съемочная аппаратура и предназначена для получения изображений в панхроматическом диапазоне спектра (450-750 нм), а также в четырех спектральных каналах: B (450-520 нм), G (530-600 нм), R (620-690 нм) и NIR (760-890 нм). Ширина полосы захвата - 17 км (по данным в блоге - 14,4 км).
Съемка может производится с отклонением оптической оси телескопа от надира на угол до 35°.
Масса NAOMI составляет 150 кг. Для обеспечения теплового режима прибора нужны 90 Вт электрической энергии. Во время съемки - еще 90 Вт.
Оптическая схема
Телескоп. Телескоп построен по схеме Корша, наиболее совершенной из применяемых сегодня. Диаметр апертуры (для PeruSat-1) равен 650 мм. А вот фокусное расстояние известно только для аппаратуры первого поколения, с диаметром главного зеркала 200 мм - оно составляет 3264 мм. Зато мы можем составить пропорцию и определить размер элемента разложения фотоприемных устройств - 12 мкм.
Зеркала NAOMI
Все пять зеркал выполнены из карбида кремния. Главное зеркало смонтировано на трех втулках из инвара (решение прошло летную квалификацию на спутнике FormoSat-2). Остальные зеркала имеют специальную опору, отдаленно напоминающую гриб. Такое решение облегчает интеграцию зеркал.
Конструкция
Конструкция прибора первого поколения
Внешний вид прибора PeruSat-1 (по данным eoportal.org) с двумя оптико-электронными преобразователями
Конструкция последнего поколения NAOMI
«Вот тут как раз и начинается кино...» (с) С первым поколением аппаратуры всё было понятно и просто (благодаря описанию из [2]). Конструкция оптико-электронного модуля выполнена из карбида кремния. Основание, на которое монтируются телескоп и оптико-электронный преобразователь, крепится к конструкции космического аппарата тремя титановыми биподами. Силовая конструкция, поддерживающая вторичное зеркало, состоит из цилиндрической оболочки и трехлучевого «паука». Бленда, закрывающая вторичное зеркало от прямых лучей Солнца, выполнена из алюминия и опирается на алюминиевую трубу. Для тепловой развязки и защиты между карбидом кремния и алюминием проложена экранно-вакуумная теплоизоляция. Она же покрывает всю конструкцию снаружи. Для обеспечения теплового режима на конструкции, зеркалах, фокальной плоскости установлены нагреватели, которые управляются ПИД-регулятором. В режиме хранения используются всего три зоны нагрева с термореле...
На изображении полезной нагрузки PeruSat-1, приведенной на eoportal.org, мы видим ровно такое же решение, но только оптико-электронных преобразователей теперь два, но оно с самого начала так и задумывалось, см. финальную часть любимой статьи [2]. А вот на сайте spaceflight101 опубликована фотография, где для поддержания вторичного зеркала используется ферменная конструкция (вместо цилиндрической оболочки). Как оно на самом деле - неизвестно.
Спектральные характеристики NAOMI
Схема фокальной плоскости
Оптико-электронное преобразование осуществляется сборками ПЗС-матриц фирмыe2v. Размер пикселя (по оценке) - 12 мкм в ПК и 48 мкм в МК. Длина строки ПК - 7000 пикселей, МК - 1750 пикселей. В ПК реализован режим временной задержки и накопления до 8 шагов ВЗН. Есть функция антиблюминга (заряд из пересвеченного пикселя не растекается по соседним).
Схема видеотракта
Функциональная схема блока электроники (NIEU)
Оптико-электронный модуль осуществляет только управление ПЗС-матрицами и усиление видеосигнала. Аналого-цифровое преобразование осуществляется в модуле видеоэлектроники (MEV) блока электроники (NIEU) при помощи АЦП с разрядностью 12 бит. Далее происходит преобразование информации и ее разрядность на выходе составляет 10 бит. Произведение функции передачи модуляции всего тракта на частоте Найквиста на отношение сигнал/шум в конце срока активного существования должно быть не менее 2,8.
Режимы съемки:
- кадровый;
- маршрутный (длина маршрута - до 1400 км);
- съемка площадных объектов - съемка триплета (три полосы) длиной до 63 км;
- формирование стереопар.
Максимальное время работы инструмента на витке составляет 10 минут, среднее - 3 минуты.
Запоминающее устройство имеет емкость 64 Гбит для аппаратуры первого поколения.
Передатчик Х-диапазона
Радиолиния передачи целевой информации работает в Х-диапазоне со скоростью 180...310 Мбит/с, модуляция - QPSK. Передатчик имеет «холодное» резервирование.
Космическая платформа AstroBus-250
С описанием платформы AstroBus-250 возникают примерно такие же сложности, как и с описанием инструмента NAOMI: изделие имеет свою историю, прошло путь от Miryade (её создавало французское космическое агентство, CNES) до... вот сейчас на базе этой платформы идет проектирование космического аппарата MERLIN [3]. При этом понятно, что принципы построения остались более-менее едины, а приборный состав и характеристики - менялись под задачу.
Конструкция
Схема конструкции платформы спутника AlSat-2
Схема платформы AlSat-2 приведена для иллюстрации конструктивных решений. Платформа выполнена из сотовых панелей и имеет форму куба. На нижней грани установлена система отделения, на боковых - крепятся блоки бортовой аппаратуры. В случае PeruSat-1 «кубик» состоит из верхней и нижней частей. В ходе одного из визитов представителей заказчика на завод-изготовитель аппарата перуанской делегации была продемонстрирована верхняя (в полете) половина. Откинутые в горизонт панели при окончательной сборке будут установлены вертикально.
Бортовая аппаратура служебной платформы
Блоки служебной платформы
Схема платформы КА MERLIN
Командно-телеметрическая радиолиния
Аппаратура S-диапазона
Как и обещал, системы, обеспечивающие живучесть (командно-телеметрическая радиолиния и система электропитания) у меня теперь на первом месте, сразу после полезной нагрузки.
Радиолиния работает в традиционном S-диапазоне, и обеспечивает скорость передачи командно-программной информации на борт спутника до 64 Кбит/с и передачу телеметрической информации со скоростью до 625 Кбит/с.
Система электропитания
Обратите внимание на штанги-распорки панелей солнечных батарей
Солнечные батареи на базе арсенид-галлиевых фотоэлектрических преобразователей. Два «крыла» солнечных батарей жестко закреплены на корпусе спутника. Как и на более флагманских аппаратах, используются штанги-подпорки панелей солнечных батарей для повышения жесткости спутника и его динамических характеристик. Да, черные квадраты на панели батареи - это устройства зачековки, которые удерживают панель в сложенном состоянии.
Аккумуляторная батарея - судя по картинке - литий-ионная, английской фирмы ABSL. Как и на Pleiades собрана по последовательно-параллельной схеме из аккумуляторов стандарта 18650 емкостью 1,5 А·ч.
Аппаратура регулирования и контроля формирует на борту космического аппарата нестабилизированную шину питания с напряжением 22...34 В. Традиционно для западной школы спутникостроения на эту аппаратуру также возлагается питание нагревателей и пиросредств.
Бортовая вычислительная система
Вычислительная машина и блок сопряжения
Вычислительная машина платформы построена на базе процессора LEON-3 и взаимодействует с бортовой аппаратурой по двум шинам MIL-STD-1553B (одна для полезной нагрузки, вторая - для спутниковой платформы). Вычислительная машина работает под управлением операционной системы RTEMS.
Для взаимодействия с теми блоками, которые не имеют интерфейса шины MIL-STD-1553B (а это датчик Солнца, магнитометр, двигатели-маховики, электромагниты, датчики температуры и двигательная установка), предназначен блок сопряжения.
Система ориентации и навигации
Звездный датчик Hydra
Внимательный читатель уже обратил внимание, что информации по космической платформе имеется достаточно немного (хотя вполне возможно, что я недостаточно хорошо искал).
Что можно сказать наверняка. На борту спутника PeruSat-1 установлена маховичная система ориентации.
Главный датчик положения - звездный датчик Hydra фирмы Sodern с двумя оптическими головками. Он умеет определять положение космического аппарата за 2,5 с при скорости вращения до 8°/с. Для звездного датчика с тремя оптическими головками точность составляет 2,1'', потребление электроэнергии - до 9,5 Вт, с двумя оптическими головками эти характеристики несколько хуже.
Также для определения положения используются датчик Солнца и магнитометр, для определения угловой скорости - соответствующий датчик.
Для определения положения применена двухчастотная аппаратура спутниковой навигации (в том числе, в диапазоне L1), имеющая точность 3 м.
В качестве исполнительных органов выступают 4 двигателя-маховика, установленные по схеме «пирамида» (их видно на фото с перуанской делегацией). За сброс кинетического момента отвечают три электромагнита.
Датчик Солнца и магнитометр
Двигательная установка
Вид на спутник сверху. Хорошо видно расположение реактивных двигателей
Космический аппарат традиционно оборудован двигательной установкой на базе четырех однокомпонентных гидразиновых двигателей тягой в 1 Ньютон. Точнее тяга меняется от 1,45 до 0,36 Н при изменении давления на входе в двигатель от 23 до 5,5 бар. Удельный импульс тяги двигателя - от 205 до 221 с, масса двигателя - 230 г.
Расположение двигателей - каноническое, как на SPOT-6 или Pleiades. Двигательная установка выполнена в виде моноблока.
Трехмерная модель моноблока двигательной установки
Трехмерная модель двигателя
Наземный сегмент
Национальный центр дистанционного зондирования Земли (CNOIS)
Как принято при создании космических систем «под ключ» Airbus DS поставлял не только космический аппарат, но и наземный сегмент для работы с ним. Это понятная практика: на радиолиниях (что командно-телеметрической, что передачи целевой информации) должен быть ровно один хозяин. Тогда в ходе наземных и летных испытаний не придется выяснять «на чьей стороне проблема».
Airbus DS построил наземный комплекс в населенном пункте Pucusana вблизи Лимы. Комплекс называется National Satellite Image Operation Centre, сокращенно CNOIS. Он состоит из двух зданий: футуристической формы здания центра и антенной системы, укрытой радиопрозрачным куполом (на верхнем фото центр еще на стадии строительства, купол не установлен).
Как положено у головного европейского предприятия по созданию передовых систем, Airbus DS выпустил про CNOIS видеоролик продолжительностью 2,5 минуты. Из ролика можно, например, узнать, что привод антенны сделан на основе гексапода - системы из шести штанг, которые поддерживают отражатель и могут изменять длину для управления положением антенны.
Насколько я понял, оборудование позволяет принимать данные с европейских космических аппаратов, в том числе и радиолокационных - и такие данные начали поступать в момент Т0+15 исполнения контракта. А 7 декабря 2016 года работники CNOIS взяли на управление сам PeruSat-1.
Фотографии спутника
Упаковка спутника в контейнер для транспортировки
Подготовка на техническом комплексе
Заправка гидразином
Установка космического аппарата на адаптер
Космоснимки
Эксплуатация
Click to viewРолик о проблемах с аппаратом
В конце 2017 года Airbus DS опубликовал релиз, в котором сообщается, что космический аппарат за год передал 71 тысячу изображений и на этом удалось полностью вернуть вложенные инвестиции, дальше идут сплошные бонусы. Как водится, в блоге хейтеров появилось сообщение, что без облаков на территории Перу было выполнено только 1822 снимка, да и вообще есть вопросы к полноте выполнения контракта.
Но куда большую тревогу вызывал недавно опубликованный ролик, приведенный выше. Я совсем не знаю испанский язык, из перевода надписей силами Google сделал вывод, что с целевой информацией есть большие проблемы, 28 % целевой информации получено с ошибками. Руководитель полета спутника предлагает выполнить технический аудит. В качестве примера сбойных снимков в ролике приведен следующий кадр:
Снимок с разрывом дороги
Как водится, дополнения и исправления всячески приветствуются. Особенно в части рассуждений об эволюции инструмента NAOMI, платформы AstroBus-250 и интерпретации ролика на испанском языке.
Иллюстрации взяты из публикаций и сети интернет.
Литература
1. И. Афанасьев "И последние станут первыми" / "Новости космонавтики", N 11-2016, с. 52-54.
2. P. Luquet, A. Chikouche, A. B. Benbouzid, J. J. Arnoux, E. Chinal, C. Massol, P. Rouchit, S. de Zotti, "NAOMI instrument: a product line of compact & versatile cameras designed for high resolution missions in Earth observation," Proceedings of the 7th ICSO (International Conference on Space Optics) 2008, Toulouse, France, Oct. 14-17, 2008
3. Dr. Jean Cheganças «AstroBus S, the high performance and competitive Small Satellites platform for Earth Observation» / 10th IAA Symposium on Small Satellites for Earth Observation
April 20-24, 2015 Berlin, Germany pdf