Большая малая толика: не возлагая надежду на обновление космического пространства

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 2(8) 2016

Ник Аллан (Nick Allain), компания Spire Global Inc., Сан-Франциско, США

Промышленность в целом перешла на радикально иной уровень, чем в самом начале космической гонки. Подобное изменение, во главе которого стоят такие компании, и не только, как SpaceX, подпитывается бесчисленными инновациями, невероятным творческим рвением и здоровым стремлением усовершенствовать мир.

Чтобы понять изменения, которые претерпел мир спутников, нам следует вернуться в 1998 год. Оставался ещё год до появления первого Blackberry – громоздкого монохромного карманного ПК, но наша глобальная одержимость технологией была в разгаре. Высокотехнологичная индустрия готовится к третьему поколению процессоров Pentium, а модемы 56k начинают принимать интернет в жилых домах по всему миру.

Между тем в Вашингтоне, округ Колумбия, вице-президент Альберт Гор предпринимает шаги, чтобы воплотить в жизнь свою стратегическую концепцию спутникового мониторинга климата. Спутник, официально называемый Triana, но которому дали прозвище Goresat (Горсат – спутник Гора), находится на стадии разработки, чтобы принимать изображение в реальном масштабе времени с L1 (точки, где сила тяжести Земли и Солнца равномерно притягивает спутник) в космическом полёте, который, как думал вице-президент, наилучшим образом покажет хрупкость нашей планеты.

Triana фактически представлял небольшой переворот в мире спутников. Несущий отсек SMEX-Lite, который отвечает за подключение различных компонентов и компьютеров, был разработан НАСА в качестве концептуальной основы программы «Малых спутников следующего поколения» (NASA Next Generation Small Explorer) для создания недорогих малых спутников для коротких миссий.

Как и большинство технологий, рассматриваемых в ретроспективе, понятие «малый» является относительным. Triana весил примерно столько же, сколько весила ранняя модель Fiat 500: намного легче, чем ваш типичный школьный автобус-спутник. В то время он считался лёгким, недорогим (около 150 миллионов долларов) и обещал быть быстро построенным. К сожалению, не так быстро. На момент его завершения проект заморозили из-за череды более важных задач и политического давления. Спутник тщательно законсервировали в надежде возможного запуска. В то время как завёрнутый в пластик Triana дремал на объекте NASA, мир быстро менялся.

В 1999 году, за три года до первичного размещения акций PayPal, которое сделало Элона Маска миллиардером, Джорди Пью-Суари из Калифорнийского политехнического государственного университета и Боб Твиггз из Стэнфорда предложили свою концепцию эталонного дизайна CubeSat. Это был куб 10 см, который содержал достаточное количество электрических компонентов, чтобы быть на одном уровне с первым искусственным спутником Земли.

Изначально большая часть, если не вся, ракетно-космической отрасли отвергла конструкцию на основе демонстрационных коробок для игрушек Beanie Baby box. В лучшем случае её можно было считать средством исследования.

В худшем – посчитать игрушкой. Время и инновации в конечном итоге внесли бы свою лепту, но потребовалось бы множество оборотов вокруг Солнца, прежде чем это произошло. За истекшие 17 лет мы стали свидетелями, как закон Мура позволяет делать процессоры более мощными, более эффективными и малогабаритными.

Смартфон поместил суперкомпьютер в наш карман, лёгкие беспилотные самолёты стали летать, а также достижения в любительской электронике (Arduino, RaspberryPi и сенсорная технология) стали повсеместно распространёнными в магазинах товаров для хобби и учебных классах по всему миру. Это точно те же самые достижения, принявшие Cubesat от первого искусственного спутника Земли до смартфона.

Уровень технологических инноваций, начиная с конца 1990-х годов, изменил наш стиль работы, взаимодействия и образ жизни. Аэрокосмическая промышленность тем не менее, если говорить в целом, адаптируется более медленно. На протяжении 2000-х годов исторически сложившиеся запуски спутников продолжали склонять чашу весов в пользу традиционных спутников как с точки зрения развёртывания, так и общей массы.

Тем не менее технология CubeSat потихоньку двигалась вперёд. В период с 2002 по 2010 год количество научных упоминаний термина «CubeSat» в академических работах пятикратно увеличилось от около 100 до более чем 500 в год. Когда волна поддержки запуска нового и столь необходимого спутника космического мониторинга климата и погоды возродила дебаты по Triana в 2011 году, уже более 3000 научных работ высказывали интерес к спутникам Cubesat.

В течение последующих нескольких лет возникнут два направления. Во-первых, НОАА – Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы (США) получит зелёный свет для модификации и запуска DSCOVR. Несмотря на новое название, спутник DSCOVR был вовсе не нов.

Способ вытащить спутник Triana из нафталина представлялся самым быстрым и самым эффективным способом вывести на орбиту новый спутник для наблюдения за поверхностью Земли. Ограничения, налагаемые на НОАА, – время и деньги – привели к очень новаторскому решению. Когда буквально в следующем году уже стало невозможным игнорировать нововведения, происходящие в мире малых спутников, развёртывание Cubesat превзошло запуски традиционных спутников.

Между тем ограничения, под каким углом на них посмотреть, оказывают интересный эффект на творчество. Психологи, предприниматели, художники и даже экономисты уже давно обсуждали и обсуждают тенденцию влияния ограничения на возможные прорывы.

Марисса Майер, известная по Google и Yahoo после публикации статьи под названием «Творчество любит трудности», в которой она продемонстрировала, как ограничения могут «формулировать и держать в поле зрения проблемы и ставить чёткие задачи их преодоления». 10 см коробка профессора Твиггза означала тот факт, что искра творчества вспыхнула в идеальный момент в глобальной технологии.

Наша возможность попасть в космическое пространство и работать там стала проще, благодаря авиакосмической отрасли, взявшей на вооружение технологии ширпотреба и других отраслей промышленности. И ракеты компании SpaceX, и CubeSats компании Spire оперируют Linux, той же операционной системой, которая лежит в основе Android. Процессор во многих из этих малых спутников почти идентичен тем, что управляют миллионами iPhone и телефонами Galaxy. По своей сути «новая космическая гонка» является частью нашего ненасытного спроса на крутые гаджеты.

Ограничение в размерах спутников Cubesat, которые в большинстве своём составляют около трёх литров в объёме, бросают инженерам вызов для интеграции большего числа и более усовершенствованных компонентов в каждом новом поколении спутников; таким же образом Samsung и Apple должны расширить границы своих технологий для разработки более тонких и более мощных телефонов.

Всего за короткий промежуток, в два года, вычислительный потенциал главного компьютера спутника Spire превзошёл от около 180 миллионов команд в секунду до более чем двух миллиардов. По мере того, как продолжают развиваться вычислительная мощность и эффективность, так недорогие спутники получают возможность перемалывать данные в реальном масштабе времени на краю Вселенной.

Спутники Cubesat по-прежнему сталкиваются со многими препятствиями. Размер существенно ограничивает их в ключевых областях. Оптика, особенно с высоким пространственным разрешением, невероятно трудно вписывается в малый форм-фактор.

Многие спутники Cubesat включают камеры либо с целью новизны или специализированных приложений, а не в качестве основного фокуса космического аппарата. Размещение полезной нагрузки формирования изображения высокого качества ограничивается свойствами света, который начинает рассеиваться при прохождении через небольшое отверстие.

Для того, чтобы компенсировать этот эффект при получении «коэффициента масштабирования», необходимо увеличить размер объектива. Для небольшого спутника это означает следующее: он должен использовать настолько больше объёма, насколько это возможно, чтобы обеспечить увеличенное разрешение деталей земной поверхности. Такой подход позволяет малому объёму делать намного больше.

С другой стороны, малый форм-фактор способствует применению развёртываемых устройств-компонентов, которые можно сложить, отпустить или иным образом «развернуть» вскоре после выхода на орбиту. Технологии на основе радиочастот, которые используют антенны для разведки сигнала, особенно хорошо сочетаются с ограничивающими факторами спутников Cubesat.

Отслеживание судов и грузов, отслеживание животных и пассивный сбор данных о погоде – все применения готовы для невероятных улучшений. Огромное количество датчиков, которые спутники Cubesat могут доставить в космическое пространство, будут производить точки данных, доступных в режиме реального времени во всём мире. Методика обработки «шума», который исходит от Земли, может стать следующей большой гонкой данных.

Остаётся ещё много препятствий на пути той функциональности сбора данных во всём мире, о которой мы мечтаем. С каждым запуском компания SpaceX приближается к настоящей многоразовой ракете. Каждое событие освещается в Instagram, фотографии и видео, твиты от Элона Маска и супер-гладкое потоковое видео. Тем не менее отрасль продолжает претерпевать массу проблем от постоянных задержек запуска.

Единственной безопасной тактикой для компании, производящей малые спутники в требуемом масштабе, является диверсификация путём продвижения по широкому спектру запусков. Независимо от того, какие выбраны поставщики, пусковые устройства будут отбрасываться назад, подниматься вверх и иногда даже взрываться. Переправить что-то в космическое пространство оказывается довольно сложной задачей.

Ещё задолго до того, как спутник когда-либо достигнет космического пространства, он сталкивается с некоторыми из самых ощутимых противодействий. Правила, многие из которых были написаны давно, во времена холодной войны, вступают в игру.

В то время как коммерческие спутники (и в связи с этим коммерческие спутники Cubesat) недавно были выведены из списка Международных правил перевозки вооружений (ITAR) в США, любой компонент военного происхождения (некоторые из которых кажутся совершенно безопасными) всё ещё может перевести спутник в совершенно другую категорию экспортного контроля.

Когда речь идёт о коммерческих спутниках, EAR (Правила экспортного контроля) заменяют ITAR. Это добавляет ещё одну шероховатость к и без того сложному нормативно-правовому регулированию, где контролируются даже аппаратные средства иностранного производства, если они были разработаны в США. Эти сложные экспортные ограничения делают невозможным запуск из некоторых стран, трудным – из других и дорогим в плане документации и выставленных юристами почасовых счетов.

Правила, и это очевидно, имеют сильное влияние на цепочки поставок. В Европе появилось большое количество поставщиков, выпускающих компоненты вне сферы компетенции ITAR, и разработчики Cubesat стремятся интегрировать как можно больше комплектующих некосмического назначения, насколько это возможно.

Когда дело доходит до наноспутников, все ​​пользовательские готовые компоненты, от бытовой электроники до «изготовлено для наземного применения», функционируют точно так же и в космическом пространстве. Для спутников Cubesat на низкой околоземной орбите (LEO), что ниже радиационного пояса Ван Аллена, радиационное упрочнение не является большой проблемой, и заурядная электроника работает до последнего, пока спутники естественным образом не сойдут с орбиты.

Следующие обстоятельства приводят нас к пониманию перспектив использования спутников Cubesat: интеграция компонентов, которые уже показали экономию за счёт эффекта масштаба, на которые у компаний могли бы уйти годы и миллионы долларов на разработку космических аппаратов.

Новые инновации в области потребительской робототехники могут быть размещены в космическом пространстве менее чем за шесть месяцев. Новые процессоры смартфонов могут находиться в космосе точно такой же промежуток времени. Любое достижение, в любой отрасли за пределами аэрокосмической промышленности, но в пределах размера и профиля мощности Cubesat, может находиться на НОО до шести месяцев.

Кроме того, поскольку космические аппараты эксплуатируют операционные системы с открытым исходным кодом, осуществить модернизацию на орбите практически так же просто, как обновить свой ​​iPhone. Для разработчиков единственное время ожидания на обновление программного обеспечения – закончить написание и его тестирование.

Инновации в действительно современных условиях космического пространства представляют собой эффективный сбор данных на орбите с точки зрения затрат и времени. Вот почему, когда вы смотрите на спутниковый проект DSCOVR, вы не должны видеть превысивший бюджет спутника с 1990-х годов; вместо него вы должны увидеть замечательный творческий подвиг – вывод спутника в космическое пространство после двухлетней модернизации.

В этом случае больше нет необходимости осуществлять инновации в программном или аппаратном обеспечении в авиакосмической сфере и в конечном итоге – в космическом пространстве. Они могут быть или в офисе в Вашингтоне, округ Колумбия, или в лаборатории электроники в Южной Корее, или в запуске нового проекта в Силиконовой Долине.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Big or small - aerospace innovates through constraints
 журнал ROOM №2 (8) 2016