Одна из крупнейших в мире консультационных организаций в области космонавтики предложила новый форм-фактор сверхмалых спутников. В отличие от ставшего стандартным «формата» кубсатов, дисковый типоразмер предлагает более высокую энерговооруженность на единицу массы. При этом не требует сложных раскладных солнечных панелей, что важно для простых и дешевых аппаратов, производимых массово.
Американская некоммерческая организация The Aerospace Corporation более полувека оказывает услуги по профессиональной экспертизе космической техники. Среди прочего она одной из первых приняла и начала развивать революционный для своего времени форм-фактор нано- и микроспутников (1-10 и 10-100 килограммов, соответственно) CubeSat в начале 2000-х. Это аппараты, размеры и масса которых кратны кубу со стороной десять сантиметров массой 1,33 килограмма (принят за единицу 1U).
Фактически, разработка и совершенствование типоразмеров кубсатов сделали для аэрокосмической индустрии то же самое, что принятие интермодальных ISO-контейнеров за единый стандарт в транспортной сфере. В частности, создание и выведение спутников стало доступным для широчайшего спектра организаций, включая образовательные институты.
Кубсат CSSWE, который создан студентами Университета штата Колорадо в Боулдере, выполнен в форм-факторе 3U. На заднем плане лежит универсальный диспенсер P-POD (видна выталкивающая пружина)
Источник изображения: CSSWE, Wikimedia
В свете появления все большего количества различных ракет-носителей на рынке Aerospace Corp. предлагает новый универсальный форм-фактор микроспутников. Это диск диаметром 100 или 120 сантиметров, в зависимости от назначения аппарата и доступного под обтекателем ракеты объема. Он ни в коем случае не исключает существование кубсатов — те занимают несколько иную нишу. Но зато делает создание малых спутников радикально проще и дешевле.
Подробная презентация концепции DiskSat опубликована на портале мероприятия Small Satellite Conference, которое прошло в Университете штата Юта этим летом. Первый технологический демонстратор нового типоразмера спутников Aerospace Corp. планирует запустить в начале 2023 года.
По сравнению с кубсатами у дисксатов есть несколько неоспоримых преимуществ. Во-первых, они не требуют средств выведения со специальными креплениями и механизмами выталкивания спутника. Во-вторых, их не нужно упаковывать в диспенсеры, а можно просто сложить буквально стопкой друг на друга благодаря «двумерной» геометрии аппаратов. В-третьих, толщина диска может варьироваться в довольно широких пределах, при этом пространства на размещение приборов, которого и так предостаточно, станет еще больше. Главное удобство тут в том, что увеличенным дисксатам не понадобится другой адаптер полезной нагрузки (если расчетная масса не превышена, конечно), а кубсаты формата больше 3U требуют нестандартных диспенсеров.
Различные варианты конфигурации дисксатов (кроме варианта b) все отсеки с электроникой показаны не закрытыми крышками для наглядности): a) с центральным размещением отсека авионики и полезной нагрузки, а также дополнительной откидной солнечной панелью; b) никто не предлагает зацикливаться только на круглых спутниках, можно делать их квадратными; c) с четырьмя отсеками для электроники; d) с электрореактивной двигательной установкой, толщина которой больше, чем у самого диска; e) сотовая алюминиевая структура шасси DiscSat; f) складывание в стопку дисксатов компоновки d); g) дисксаты в стопке под обтекателем ракеты-носителя.
Источник изображения: The Aerospace Corporation
За «точку отсчета» Aerospace Corp. предлагает взять диск диаметром один метр и толщиной 2,5 сантиметра. На одной его плоскости размещаются солнечные батареи, а другая может быть вообще пустой. И благодаря своей большой площади относительно объема аппарата она будет эффективным пассивным холодильником-излучателем. Ниша для электроники, эквивалентная по объему кубсату 3U, размещается по центру такого колеса. В итоге получается минимальный набор оборудования суммарной массой около десяти килограммов, включающий в себя спутниковую платформу (шасси, энергоснабжение) и полезную нагрузку. Но главная «фишка» DiscSat — в гибкости формата.
Вся вышеописанная конфигурация не только проста в производстве и выведении на орбиту (то есть дешева), в ней еще и осталось куча места. Большая часть объема диска — легкая алюминиевая сотовая структура. Не снижая прочность конструкции она может уместить в себе дополнительно еще несколько ниш для оборудования, системы ориентации на двигателях-маховиках и, например, электрореактивной двигательной установки. Площади метрового диска достаточно для установки солнечных панелей суммарной установленной мощностью до 200 ватт (а на диске диаметром 1,2 метра — 290 ватт). Обратная сторона позволяет расположить на ней резервные панели на случай потери аппаратом ориентации в пространстве, а также фазированную антенную решетку (опционально отклоняемую).
Энерговооруженность существующих малых спутниковых платформ по данным The Aerospace Corporation. По горизонтали — масса платформы (без полезной нагрузки), по вертикали — средняя выработка электроэнергии за виток орбиты. Синие точки и пунктирный тренд — стандартные конструкции с одностворчатыми раскладными солнечными панелями. Оранжевая аномальная точка — кубсат типоразмера 12U с двумя 17-сегментными раскладными солнечными панелями (к CubeSat такая конструкция относится очень условно, поскольку выходит за рамки спецификации по массе). зеленые точки — DiscSat без раскладной панели, желтые — с одной простой дополнительной откидной панелью (несколько точек для разного диаметра диска)
Источник изображения: The Aerospace Corporation
Иными словами, назначение DiscSat — малые спутники, которым необходимо очень много энергии. Существующие платформы массой до 35 килограммов за один виток орбиты редко вырабатывают более 65 ватт электричества. Рекордными показателями могут похвастаться лишь сложные конструкции с двумя развертываемыми солнечными панелями из 17 складок каждая на базе кубсатов 12U — около 150 ватт за виток на орбите высотой до 600 километров. Дисковые спутники диаметром в метр при массе платформы менее десяти килограммов позволяют собрать 90 ватт за виток без маневрирования и дополнительной панели. А добавление всего одной дополнительной створки на единственном шарнире дисксату диаметром 1,2 метра (чуть более десяти килограммов) дает 160 ватт электричества за виток.
Такие характеристики могут здорово пригодиться телекоммуникационным аппаратам вроде Starlink. Главное, что DiscSat обеспечивает много энергии «прожорливому» оборудованию связи и электрическим ракетным двигателям, необходимым для довыведения и поддержания высоты на низкой околоземной орбите. Фактически многие полезные особенности «двумерной» конструкции SpaceX уже воплотила в своих массово выпускаемых спутниках. Они плоские, легкие и под обтекателем собираются стопкой. Разве что солнечная батарея у них раскладная из множества листов, а не одной пластиной. Возможно, при создании следующего поколения аппаратов компания Илона Маска воспользуется уже новым форм-фактором.
