Защита на орбите. Как уберечь спутники от неприятностей.

Создание каждого КА — результат работы больших научных и проектных коллективов, требующий значительных финансовых вложений. Стоимость спутника, а также расходы на его запуск составляют примерно 50 тысяч евро за один килограмм массы спутника. Каждый его узел “тянет” на несколько миллионов рублей. 

В среднем гарантийный срок активного существования спутника составляет примерно 5-7 лет, сейчас разработчики стремятся к тому, чтобы приблизить его к 15 годам. Но только в прошлом году на орбите отказали несколько спутников российского производства, принадлежащих другим странам, — EgyptSat 2 (прослужил всего год), AMOS 5 (четыре года). Почему же так случается? Почему не каждый спутник выдерживает встречу с агрессивной космической средой? 

— Радиация — один из факторов, оказывающих негативное влияние на функционирование спутников, — рассказывает заведующий лабораторией вакуумной электроники Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН Александр Батраков (на верхнем снимке). — Многие действующие аппараты находятся на геостационарной орбите (примерно 36 тысяч километров над поверхностью Земли): это внешняя граница второго радиационного пояса нашей планеты. Высокоэнергетические частицы, поступающие в результате коронарных выбросов, нередко становятся причиной выхода из строя отдельных узлов космических аппаратов. Однако в случае возникновения такой ситуации в работу должны включиться резервные элементы, призванные заменить отказавшие. 

Следует отметить, что самое мощное воздействие радиации испытывают спутники связи и навигации на орбитах, близких к полярным широтам. Поскольку значительная часть территорий находится за полярным кругом, для нашей страны необходима система спутников, располагающаяся над этой зоной, в наиболее экстремальных условиях.

Другой причиной выхода из строя космических аппаратов являются микрометеориты — частицы пыли и песчинки, которых в космическом пространстве бесчисленное множество. В результате попадания одной такой песчинки может отказать отдельный узел, а вот если микрометеорит будет размером с небольшой камушек (например, 20 граммов массой), то это уже означает, что на всем аппарате можно, что называется, поставить крест, он выйдет из строя целиком. Ведь “камушек” движется с космической скоростью — 20 километров в секунду, и его энергетический эквивалент — килограмм взрывчатки! 

К большому сожалению, негативное влияние оказывает и космический мусор, странствующий по разным орбитам. Встреча с ним тоже чревата для спутника неприятностями: от поломки отдельных элементов и необходимости включения резервных цепей до полного отказа космического аппарата. Увы, пока о проведении космического субботника можно только мечтать…

А теперь перейдем от факторов космического пространства к тем процессам, которые происходят внутри самого спутника. Здесь принципиально важной является возможность предотвратить последствия проявления агрессивных факторов космического пространства, например электрический пробой и образование дуги в электрических цепях. Дело в том, что с каждым годом наращивается энергоемкость космических спутников, и сейчас бортовые напряжения достигают 100 вольт, что в три раза выше порога дугообразования! Увеличение напряжения бортовой сети резко повышает риск зажигания вакуумной дуги, которое неизбежно вызывает сбой в работе оборудования или даже его разрушение. 

Поэтому важнейшая задача, стоящая сейчас перед разработчиками, — это поиск путей предотвращения преждевременных поломок. Еще с 2013 года в Институте сильноточной электроники СО РАН ведется разработка методов комплексной диагностики бортовой аппаратуры космических аппаратов на предмет ее устойчивости к дугообразованию. В рамках Федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” выполняются прикладные научные исследования, инициированные Технологической платформой “Национальная информационная спутниковая система”. Масштабный проект RFMEFI60714X0008 объединяет ученых и разработчиков из ИСЭ СО РАН, томских вузов — ТПУ, ТГУ и ТУСУР, а индустриальным партнером является компания “Информационные спутниковые системы” имени академика М.Ф.Решетнева”. Общий бюджет проекта составляет 100 миллионов рублей: это средства, выделенные государством в рамках ФЦП, а также вложения ИСЭ СО РАН и его индустриального партнера — ИСС.

В конце 2015-го и в начале нынешнего года были получены важные результаты. В ИСЭ СО РАН создан экспериментальный комплекс — образец рабочего места специалиста: с помощью уникального дефектоскопического оборудования можно протестировать детали аппаратуры на вероятность образования вакуумной дуги и исследовать электроразрядные процессы, которые могут происходить внутри космического корабля.

— Благодаря этому комплексу мы можем обнаружить заводские дефекты диаметром около 100 микрон и более, — поясняет руководящий проектом А.Батраков. — Что же касается дефектов с меньшим диаметром, то в условиях космоса они не представляют угрозы и не вызывают сбоев в работе оборудования. Таким образом, еще на этапе производства космического аппарата риски возникновения источников дугообразования вследствие дефектов производства можно свести практически к нулю.

В 2017 году планируется передача опытных образцов в НПЦ “Полюс”, где продолжится отработка и доведение до использования в производстве космических аппаратов методики тестирования бортовой электронной аппаратуры в рамках опытно-конструкторской работы. Планируется использование этих образцов оборудования при создании спутника связи для нужд Министерства обороны.

В Институте сильноточной электроники уже начаты исследования по другому значимому направлению — обнаружению вакуумной дуги не на этапе производства, а в условиях реального космоса. Принципиально важно “поймать” дугу еще до того момента, когда возникнувший пробой повлечет за собой фатальные последствия — поломку оборудования. А такие ситуации, когда дуга возникает внезапно, могут произойти из-за увеличения радиационного фона или удара микрометеорита о корпус аппарата.

— В основе этих исследований лежат достижения фундаментальной физики — метод анализа спектра шумов, — говорит Александр Владимирович. — Мы планируем разработку опытных телеметрических систем, которые будут следить за появлением сигналов дуги в условиях эксплуатации аппарата в космосе. Когда с их помощью дуга все же будет обнаружена на каком-то конкретном участке, то он должен быть экстренно выведен из эксплуатации и заменен резервным: это позволит продлить время бесперебойной работы космического аппарата.

Планируется, что это направление будет продвигаться в рамках ФЦП “Развитие оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации”. Это значит, что и в ближайшие годы в ИСЭ СО РАН будут продолжены исследования и разработки, связанные с космической тематикой, которые помогут продлить срок жизни космических аппаратов.