В июне на околоземную орбиту выведен спутник CubeSX-HSE-3, созданный сотрудниками и студентами МИЭМ НИУ ВШЭ на базе платформы «ОрбиКрафт-Про 3U», разработанной частной космической компанией «СПУТНИКС». Это уже третий исследовательский аппарат, разработанный в Вышке в рамках проекта SPACE-π. Запуск еще одного космического аппарата команда НИУ ВШЭ планирует произвести в декабре 2023 года, а в дальнейшем предполагается выводить на орбиту по два кубсата в год. В том, чем занимаются вышкинские спутники в космосе и как строится работа над ними на Земле, специально для HSE Daily разбиралась Проектно-учебная лаборатория экономической журналистики ВШЭ.

CubeSX-HSE: первый университетский эксперимент

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова создавался на заре существования электроники в 1961 году. Многие лаборатории занимались космической тематикой, а сотрудники принимали участие в программе «Буран». В 2010 году под руководством ординарного профессора ВШЭ Евгения Пожидаева и профессора Владимира Саенко в МИЭМ начала возрождаться незаслуженно забытая космическая тематика.

Идея запуска первого университетского спутника появилась в качестве научного эксперимента: предстояло проверить конструкцию спутника, убедиться в правильности выбора дизайна антенны и работоспособности основной платы.

В 2015 году в институте начало свое существование учебно-исследовательское направление, посвященное функциональной безопасности спутников. Работа концентрировалась в Учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем (УИЛ ФБКАиС).

На базе лаборатории был сформирован и собственный Центр управления полетами (ЦУП) для малых космических аппаратов (МКА) и обработки данных в режиме реального времени, появилась команда молодых инженеров и научных сотрудников. В разработке первого спутника лаборантам МИЭМ помогали инженеры частной космической компании «СПУТНИКС».

При поддержке основателя и первого ректора Вышки Ярослава Кузьминова была закуплена летная платформа «ОрбиКрафт-Про 3U».

«Мы берем у компании “СПУТНИКС” стандартную платформу, а дальше навешиваем на нее наши полезные нагрузки», — пояснил начальник Учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем Владимир Саенко. На начальном этапе «СПУТНИКС» также предоставила учебный конструктор «ОрбиКрафт» и учебный стенд полунатурного моделирования для обучения студентов, сотрудников и лицеистов основам разработки, сборки и эксплуатации аппаратов, а также для практической отработки навыков тестирования систем.

Примерно в то же время в коллаборации со студентами и сотрудниками НИУ ВШЭ школьники, участники программы «Большие вызовы» образовательного центра «Сириус», разработали другой экспериментальный спутник — CubeSX-Sirius-HSE. Оба аппарата были запущены с космодрома «Байконур» в марте 2021 года. С этого момента и началась коллаборация университета и его партнеров под эгидой госкорпорации «Роскосмос».

После выведения на орбиту над CubeSX-HSE начали проводиться опытные испытания его функциональных плат и полезной нагрузки (виброконтроль и термоконтроль), исследоваться их надежность, долговечность и качество работы. В течение двух лет спутник преодолел 478,7 млн км, что эквивалентно 11 000 полных витков вокруг Земли. За этот период аппарат сделал около 320 снимков земной поверхности в видимом спектре, полностью выполнив задачи по мониторингу состояния поверхности Земли и метеосъемке. Эксперимент оказался успешным.

«С первого спутника мы получили телеинформацию. Сегодня мы запускаем аппараты с вдумчивой начинкой», — говорит Дмитрий Абрамешин, ведущий инженер УИЛ ФБКАиС.

Спутники для Арктики

Этим летом в составе CubeSX-HSE-3 на орбиту отправились модифицированный аппаратно-программный комплекс АИС (автоматический идентификатор судов, способный принимать сигнал с судов на космический аппарат и передавать его на Землю), система мониторинга АЗН-В и камера дистанционного зондирования Земли. 

Вместе с предыдущим вышкинским спутником — CubeSX-HSE-2 — этот аппарат будет осуществлять мониторинг природных и климатических изменений в Арктике, а также собирать данные для внесения изменений в пути движения судов по Северному морскому пути (СМП).

Трафик через СМП постоянно растет, в то время как сложные условия Арктики затрудняют развитие навигации. Для оперативного мониторинга используют данные Автоматической идентификационной системы, но ее охват ограничен из-за огромных пространств и неблагоприятных районов. В связи с этим важным становится развитие сервисов АИС для предоставления их с большей точностью и частотой, обеспечивающей независимый и регулярный мониторинг движения судов.

«Мы ведем прикладные исследования, создаем приборы, которые в завершающей стадии должны суметь выполнить эту задачу», — поясняет Евгений Пожидаев. 

Космические аппараты Вышки представлены в стандартизированном формате кубсатов. Кубсат — формат малых или сверхмалых искусственных спутников Земли для исследования космоса с габаритами, кратными 10×10×10 см. Конструкция такого аппарата состоит из трех юнитов, укрепленных на единой раме. Первый юнит отводится для блока маховиков, которые управляют ориентацией аппарата в пространстве. Второй включает в себя все платы, необходимые для работы спутника. А последний полностью предназначен для размещения полезной нагрузки.
Для кубсатов Вышки частная космическая компания «СПУТНИКС» предоставляет летную платформу «ОрбиКрафт-Про 3U» — собранный экземпляр платформы, готовый к интеграции полезной нагрузки и испытаниям. Устройство может функционировать как лабораторный макет, так и в качестве спутника CubeSat в космосе на околоземных орбитах.
Студенты и сотрудники лаборатории МИЭМ осуществляют разработку и создание плат, программного обеспечения, веб-продуктов, проводят предварительные испытания. Каждый новый кубсат отличается от предыдущего в части наполнения полезной нагрузки.
Все космические аппараты Вышки оснащены обзорными камерами с улучшенными фотообъективом, фокусом и разрешением. На крыше здания Института электроники и математики стоят антенны космической связи, а внутри установлен и подключен сервер. В МИЭМ действует Учебно-исследовательская лаборатория функциональной безопасности космических аппаратов и систем, готовящая инженеров — специалистов в области малого спутникостроения, наблюдения и фотографирования поверхности Земли.

Студенческий ЦУП

В Центре управления полетами МИЭМ команда не только управляет кубсатами и проводит мониторинг их состояния, но и раскодирует пришедшую из космического пространства информацию, чтобы получить качественные снимки. «Когда спутник передает снимок на Землю, бывает так, что он приходит очень битым. На это влияют радиация, магнитное поле, солнечный ветер, дожди и погода в целом. В таких случаях применяется восстанавливающее кодирование», — поясняет Дмитрий Абрамешин. Снимки, обработанные Центром управления полетами, можно найти на сайте Вышки.    

Сигнал со спутника сначала поступает на приемо-передающую станцию УКВ-диапазона «Завиток М», туда же поступают и команды спутнику с Земли. Антенна космической связи предназначена для работы в соответствии с регламентом любительской радиосвязи. Затем при помощи оборудования, установленного как на верхних этажах корпуса МИЭМ, так и в лаборатории, происходит обработка сигнала.

Не всех студентов корифеи МИЭМ подпускают близко к настоящим спутникам.

Дмитрий Абрамешин признается, что в его лаборатории есть четыре стадии проверки. На первом этапе студент на макете космического аппарата должен понять, что такое спутник и взаимодействие систем. На втором этапе на учебном стенде с использованием программы управления спутником, которая чуть проще оригинальной, студент учится реагировать на чрезвычайные ситуации. Например, если кубсат не отвечает, не включился дополнительный или основной канал. На третьем этапе в приложениях, имитирующих запуск спутника, студент делает технику: показывает, что может спроектировать и собрать космический аппарат. Ну и на четвертом этапе студент сдает выходные зачеты — только после этого он может быть допущен к ЦУПу. «После этого студент может приступить к сборке полезной нагрузки и другим действиям с реальным космическим аппаратом», — подчеркивает Дмитрий Абрамешин.

«Мой путь к разработке космических аппаратов начался с работы в Учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем. Я оператор ЦУПа, занимаюсь приемом и передачей сообщений на спутник, участвовал в разработке полезной нагрузки для спутников ВШЭ и продолжаю участвовать в проектах. В данный момент я прохожу курс повышения квалификации в компании «СПУТНИКС». Сам процесс работы над спутниками Вышки дал мне много новых знакомых, а также знания в области орбит спутников и их энергопитания. Мне это нравится и как минимум до конца учебы я не собираюсь прекращать работать и развиваться в космической тематике».

Коллаборации для освоения космоса

В рамках межуниверситетского сотрудничества в области освоения космоса Вышка стала объединяться с другими учебными заведениями. «Им достаточно на своем сайте разместить новость о том, что их спутник улетел на орбиту. А мы тем временем готовы предложить бесплатно свою полезную нагрузку, разработанную совместно с партнерами НИУ ВШЭ», — говорит Дмитрий Абрамешин. В числе партнеров Вышки — предприятия ГК «Роскосмос», ГК «СКАНЭКС», «СПУТНИКС», Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, компания «Аэроспейс Кэпитал», а также ряд вузов, среди которых Санкт-Петербургский политехнический университет, Московский инженерно-физический институт (НИЯУ МИФИ) и другие.

Для полезной нагрузки своих кубсатов Вышка использует и наработки других университетов. «Для первого кубсата мы взяли в рамках сотрудничества с Самарским государственным университетом к себе на борт их камеру дистанционного зондирования Земли, а также поставили дополнительно свою», — уточняет Владимир Саенко.

На следующий спутник — CubeSX-HSE-2, выведенный на орбиту 9 августа 2022 года, был установлен плазменный двигатель МИФИ.

Как поясняет руководитель лаборатории ракетных плазменных двигателей Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ и руководитель проекта по созданию двигателей для МКА Игорь Егоров, речь идет о двигателе VERA — это разновидность абляционного импульсного плазменного двигателя. Эта плазменная двигательная установка, название которой расшифровывается как Volume-Effective Rocket-propulsion Assembly, стала одной из первых в мире, пригодных для установки на космические аппараты малого (масса не более 4 кг) формата. 

Общий принцип его работы известен еще с 1960-х годов: с торцов толстостенной пластиковой трубы располагаются два электрода — катод и анод, в центре катода находится свеча зажигания, а в аноде имеется отверстие для выхода плазмы. Электроды подключены к конденсаторной батарее: в момент полной зарядки конденсаторов создается разряд в свече зажигания, который запускает основной разряд между катодом и анодом, первоначально идущий вдоль внутренней поверхности пластиковой трубы. Пластик испаряется, преобразуется в плазму, эта плазма нагревается протекающим током и под действием как своего давления, так и силы Ампера, выбрасывается из двигателя. 

«Наши новшества — это добавление магнитного сопла, которое дополнительно ускоряет плазму уже после истекания из отверстия в аноде, а также выбор нестандартного пластика, который не склонен обугливаться при относительно низких разрядных токах, которые дает наша компактная конденсаторная батарея», — поясняет Игорь Егоров.

Благодаря участию в конкурсе «Высший пилотаж» и программе «Дежурный по планете» Вышка подает заявки на грант в Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. В виде гранта Вышка получает порядка 4 млн рублей — эти средства направляются на покупку платформы «ОрбиКрафт-Про 3U» для новых спутников. Столько же средств из собственного бюджета (это одно из условий грантовой поддержки) институт тратит на разработку полезной нагрузки, проведение испытаний и т.д.

Федеральный образовательный проект Space-Pi направлен на привлечение школьников и студентов к изучению космических технологий и применению их в различных сферах.
Вузы и школы, участвующие в проекте, разрабатывают полезную нагрузку для решения различных прикладных задач — экологического мониторинга, различных погодных и природных явлений, антропогенного влияния, исследуют магнитное поле Земли, проводят мониторинг в Арктике и следят за движением ледников, учатся собирать данные для уточнения метеорологической обстановки своего региона, проводят биологические эксперименты. 

Важный эффект от коллаборации с вузами— подготовка кадров. Так, в настоящее время по заявке от «СПУТНИКС» в МИЭМ отобрано 7 человек для повышения квалификации и дальнейшей работы в Центре управления полетами ГК «Роскосмос». «Задачи, которые ставят перед собой компании, — работа для наших выпускников. Сегодня не все упирается в 5G. Без инженеров и электроников ракеты не построишь. Средний возраст высококвалифицированных рабочих на некоторых предприятиях порой достигает отметки в 70 лет. ПТУ нет. Поэтому компании набирают работников из молодых инженеров», — поясняет Дмитрий Абрамешин.

«Наша компания работает с будущими специалистами отрасли еще со школьной скамьи, реализует различные образовательные инициативы и проекты для вовлечения молодежи в тему технологий, — говорит генеральный директор «СПУТНИКС» Владислав Иваненко. — Профессиональная подготовка специалистов в этой сфере требует комплексного подхода. Поэтому мы также ведем активную работу для решения кадровых вопросов совместно с университетами, включаясь в подготовку инженеров. “СПУТНИКС” со своей стороны активно участвует в организации учебных мероприятий, конкурсов, оснащении учебных центров, кванториумов, университетских лабораторий». 

В Учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ студенты принимаются на неполную ставку техника и получают зарплаты. Если они при этом работают по гранту, то могут рассчитывать на надбавки. Зачастую также студенты задействованы в предпрофессиональных мероприятиях: они участвуют в подготовке олимпиад, в разработке задач для конкурсов. Этот труд руководство МИЭМ также всегда поощряет, некоторые студенты сами выбирают вместо денег зачетные единицы — кредиты.

Не все задачи по спутникам МИЭМ удается выполнить своими силами: институт активно привлекает к некоторым работам сотрудников предприятий ГК «Роскосмос», например АО «ЦНИИмаш» или «Алмаз-Антей».

«Допустим, нам нужен разработчик плат, разбирающийся в теплоотводе. Мы платим ему деньги, и он вливается в рабочую группу. Смотрит, какие наработки уже есть у лаборантов, с какими проблемами они столкнулись, дает прогнозы», — поясняет Дмитрий Абрамешин.

Носитель для отправки спутников на орбиту по согласованию с ГК «Роскосмос» в рамках государственной субсидии обеспечивает компания «Главкосмос». «Это стандартно наша хорошо себя зарекомендовавшая ракета-носитель “Союз” . В рамках коллаборации с ГК “Роскосмос” мы предоставляем только спутник и не участвуем в финансировании запуска ракеты», — пояснил Дмитрий Абрамешин. Вышкинские кубсаты выводятся на орбиту вместе с другими спутниками. Например, CubeSX-HSE-3 был запущен в июне в числе 42 малых космических аппаратов (три из них — зарубежные), которые «Союз-2.1б» нес вместе со спутником «Метеор-М» №2–3. Кстати, одновременный запуск 40 российских спутников стал рекордным в истории отечественной космонавтики.

Три предыдущих кубсата, включая аппарат, собранный в коллаборации со школьниками «Сириуса», были запущены с космодрома Байконур, CubeSX-HSE-3 — с космодрома Восточный.

Фабрика развития талантов

Исследование космоса — это прежде всего командная работа. В МИЭМ есть Ярмарка проектов, где все потенциальные руководители и заказчики предлагают свои проекты. Они заявляют требования к кандидатам: что он должен знать и уметь, каким ПО владеть.

«В условиях возрастающей международной конкуренции за технологическое лидерство создание кадрового потенциала через коллаборации и программы становится важным элементом стратегии социально-экономического развития нашей страны.

Молодежь активно вовлекается в научно-исследовательскую работу и получает доступ к космическим и цифровым технологиям через создание и запуск образовательными учреждениями спутников на орбиту Земли. Такие проекты также увеличивают возможности попутных запусков, удовлетворяя потребности ГК «Роскосмос» в летной отработке компонент и решая крупные проекты на созвездиях студенческих МКА (LoRa-связь, оперативное оптическое ДЗЗ).

Инженерная профессия в 2021 году была одной из самых высокооплачиваемых в России, однако сейчас в этой сфере наблюдается дефицит кадров. В связи с цифровизацией инженерного дела будущие специалисты обучаются в университетах программированию и IT-навыкам, необходимым для работы на высокотехнологичных производствах, пока что применяя полученные знания в рамках программ «УниверСат», Space-Pi, «Арктурус», различных конкурсов и проектов».

Ставшая важной частью работы в университетском ЦУПе программа «Виртуальный космос виртуальный спутник» изначально задавалась как проектная работа студентов. Не имеет значения, на какой образовательной программе Вышки обучается желающий приобщиться к общему делу. В необъятном просторе знаний и творчества под руководством спецов из МИЭМ воплощаются самые смелые идеи инициативных студентов. Так, для представления работ на выставке проектов «Техношоу» студентки в лаборатории паяют платы до самого позднего вечера.

За историями успеха в области исследования космоса стоят невероятные усилия и пытливые умы. Те, кто стремится сделать первые шаги в науке и проектной деятельности, участвуют в конкурсе «Высший пилотаж». Победителям и призерам начисляются дополнительные баллы при поступлении на бакалавриат и специалитет НИУ ВШЭ. «На последнем конкурсе, в апреле, приехала восьмиклассница из Ростова. Она сделала проект — блокчейн на спутник. Она разработала его с учительницей в своей школе. Я отдал проект нашим специалистам. Сейчас в ГК “Роскосмос” уже изготавливается макет», — делится Дмитрий Абрамешин. 

В 2018 году при поддержке правительства Москвы Вышка была включена в проект «Инженерные классы». Университет также имеет статус «Организатор московской предпрофессиональной олимпиады школьников» по таким направлениям, как аэрокосмическое и инженерно-конструкторское.

В 2020 году НИУ ВШЭ объявил о своем включении в престижную программу по наблюдению Земли из космоса «Дежурный по планете», партнером которой является ГК «Роскосмос». «Помимо стандартной для нас секции технической науки, мы еще открыли секцию “Терра-Нова” (Земля известная) и в ней ведем два направления: спутникостроение и геоинформатика. Интерес большой. Приходят очень одаренные дети. К нам издалека на финал приезжала девочка, 8–9-й класс. Она сделала спутник, сложенный из бумаги. Поднимаешь его, бросаешь, и он, пока падает, раскрывается полностью с панелями», — рассказал Дмитрий Абрамешин.

С 2021 года НИУ ВШЭ в лице МИЭМ запустил проект предпрофессиональной подготовки школьников «Космические классы».

Сегодня сотрудники МИЭМ также ведут профиль по информационной безопасности «Инфобез» во Всероссийской олимпиаде школьников. В этом году победителями стали 50 ребят, а еще 130 — призерами. Некоторые из них уже подали документы на программы бакалавриата МИЭМ и ФКН НИУ ВШЭ.

«Мы видим своей задачей эти таланты — наших людей — собрать в МИЭМ и здесь их учить», — отметил Евгений Пожидаев.