Киевская политехника: путь в космос
28 января этого года первому и единственному космонавту независимой Украины Леониду Каденюку исполнилось бы 70 лет. Для украинской космической истории эта фигура является знаковой. 1997 года Леонид Каденюк совершил космический полет в составе международного экипажа на корабле NASA «Колумбия». Украинский космонавт в этой экспедиции выполнял роль биолога-исследователя: он выяснял, как состояние невесомости влияет на рост и развитие растений. Для Украины полет Леонида Каденюка стал настоящим прорывом и убедительным доказательством, что мы имеем право называть себя космической державой.
Кроме полета в космос, Леонид Каденюк отличился тем, что участвовал в проектировании и испытаниях авиационно-космических систем. Более того - как летчик испытатель 1-го класса освоил пилотирование и испытал пятьдесят видов самолетов, написал пять научных трудов, был внештатным советником Президента Украины Леонида Кучмы по вопросам авиации и космонавтики, а в 2011 году - советником Премьер-министра Украины по вопросам авиации и космонавтики.
А еще Леонид Константинович Каденюк имел непосредственное отношение к КПИ: он был заместителем председателя Наблюдательного совета университета, почетным доктором факультета авиационных и космических систем, советником ректора и активно способствовал подготовке специалистов аэрокосмического профиля ...
Сегодня украинской космической программой занимается Государственное космическое агентство, а разработкой космической техники и обучением инженеров для космической отрасли в крупнейших в стране масштабах занимается Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского».
Первые украинские наноспутники
В том, что их университет, пусть и лучший среди украинских технических вузов, сможет собственными силами создать наноспутник, поначалу не очень верили и сами политехники. Но сейчас в КПИ их пять: два уже запущено, еще три находятся на разных этапах разработки.
Все КПИшние наноспутники имеют формат Кубсат: размером 10х10х10 см и масса которого не тяжелее 1,33 килограмма. В составе одного сателлита такого формата допускается объединять до 6 кубов. По характеристикам они ничем не уступают своим крупноразмерным предшественникам, но значительно удешевляют стадию вывода на околоземную орбиту и практически не приводят к накоплению «космического мусора». Этими их особенностями объясняется мировой тренд исследования космоса именно на базе Кубсат.
«Маленькая коробочка весом всего-навсего до килограмма, впрочем, может выполнять все функции большого спутника. То есть она может самоориентироваться в космосе, может принимать и передавать данные», - объясняет принцип работы инженер-разработчик наноспутников Евгений Коваленко.
Первый университетский наноспутник «Политан-1» выведен на околоземную орбиту еще в 2014-м. Он оказался самым выносливым - до сих пор передает сигналы на Землю. Его создали студенты и ученые сразу шести факультетов и институтов КПИ. К мировым тенденциям развития сверхмалых космических аппаратов для исследования мирового пространства они присоединились 2009 года. Главной миссией «Политан-1» было испытание жизнедеятельности спутника и всех подсистем в условиях космоса, проверка их взаимодействия, отработка важнейших команд. Через 5 лет спустя «Политан-1» вместе с тремя десятками университетских спутников из 17 стран мира удачно вышел на околоземную орбиту.
«Теплоэнергетический факультет - это опорная конструкция обеспечения теплового режима. Радиотехнический факультет - система передачи и приема информации. Институт телекоммуникационных систем - собственно телепорт для приема и передачи информации. Солнечная фотоэнергетика - это факультет электроэнергетики и автоматики вместе с камерами для испытания », - рассказывает руководитель космической программы проректор по научной работе КПИ им. Игоря Сикорского (1988-2019), академик НАН Украины Михаил Ильченко.
Разработчики отводили спутнику максимум год жизни в космосе. А он на орбите уже 7-й год. «Политан-1» стал рекордсменом. Ни один из трех десятков спутников других стран, которые одновременно с ним были выведены на космическую орбиту, на ней так долго не продержались.
Успех первого «Политана» стал толчком к новым научным проектам. В КПИ началась работа над вторым аппаратом. Вдвое больше и тяжелее своего предшественника «Политан-2» вышел на орбиту с борта Международной космической станции в рамках проекта QB50 уже со своим научным заданием. «Политан-2» стал международным проектом с полезной нагрузкой. Он был запущен для измерения концентраций атомарного кислорода в термосфере - слое атмосферы, нижняя граница которой начинается на высоте 80-90 км, а верхняя достигает 400-800 км.
Предусмотреть землетрясения и цунами из космоса
Когда спутник полностью выполнил свою миссию, ученые Киевской политехники взялись за третий Кубсат - «Политан-3» - для дистанционного зондирования Земли, экологического мониторинга, прогноза землетрясений и исследований ионосферы. Сейчас инженерная модель спутника проходит ряд тестирований.
«Третий "Политан" будет передавать изображение Земли и сбрасывать эти данные нам. Спутник отличается тем, что будет иметь дополнительный блок, камеру, специальные крылья, которые увеличат электропитание спутника », - объясняет инженер-разработчик наноспутников Иван Старовит.
К проекту присоединились ученые Познанской политехники из Польши - в части проектирования отдельных электронных подсистем. Аппарат планируется вывести на космическую орбиту 2021 года.
В то же время разработчики работают над четвертым «Политаном», главной задачей которого будет проведение биологических экспериментов с целью отработки технологий выращивания пищи для космонавтов во время полета. Поэтому этот проект реализуется совместно с Институтом ботаники Национальной академии наук Украины. «Четвертый спутник" Биосат" будет имитировать и выращивать продукты высоких растений, которые могут быть использованы для дальних космических проектов, в частности для месячных программ Украины и так же, возможно, за рубежом. Есть уникальность в том, что проект признан космическим агентством не только Украины, но и Испании, Китая », - делится руководитель группы разработчиков наноспутников Борис Рассамакин.
Пятый наноспутник КПИ - «Грависат» - будет исследовать электромагнитные поля Земли и характеристики земных катаклизмов - землетрясений и цунами. Разработанное учеными уникальное оборудование для космических исследований позволит спасать миллионы жизней на Земле, ведь способно предсказать землетрясение за 24 часа до его начала. На базе «Грависата» планируют создать аппараты и для исследования дальнего межпланетного космоса. Спутник сможет дистанционно измерять массу кометы.
Успешный запуск и разработку наноспутников обеспечила уникальная университетская материально-техническая база. Для испытания малогабаритных космических аппаратов в КПИ даже создана лаборатория со специальными камерами, имитирующими темноту, холод и вакуум космоса.
КПИ и его микроспутники
Сотрудники конструкторского бюро КПИ "ШТОРМ» создают спутники иного класса - микро. Это космические аппараты специального назначения весом около 100 килограммов. Ученые университета спроектировали группировки из 6-8 микроспутников, которые, одновременно находясь на околоземной орбите на высоте 600 км, способны осуществлять дистанционное зондирование земного шара с разрешением полметра. Такой высокий результат обеспечивает оптический сканер, который, как и корпус спутника, изготовлено из сверхпрочного, сверхлегкого и высокотемпературного керамического материала. Его авторами также стали разработчики из КПИ. Старший научный сотрудник КПИ им. Игоря Сикорского Евгений Солодкий убежден лучшего материала, чем керамика, для таких целей не найти: «Керамика достаточно легкая по сравнению с металлическими материалами. Поэтому керамические конструкции могут быть в 3-4 раза легче, что значительно повышает полезный вес этого летательного аппарата. А мы знаем, что любая цена запуска определяется на 1 килограмм оборудования. Керамика способна работать в условиях космоса. Это знакопеременные температурные нагрузки, она также имеет низкий коэффициент термического расширения ».
Похожие группировки спутников планируется использовать для дистанционного зондирования земли гражданского и оборонного назначения.
Собственные спутники раскрывают широкий спектр возможностей. Скажем, ученые КПИ разработали свой вариант Интернета вещей. Работать система будет благодаря распределению полезной нагрузки одного спутника между группировкой микро- и наноспутников формата Кубсат. Это позволит владельцу управлять своим умным домом из любой точки планеты. Система будет функционировать благодаря так называемым станциям сопряжения, что будут связывать космический и наземный сигналы.
Сергей Капштык, помощник начальника Национального центра управления и испытания космических средств, доцент кафедры телекоммуникаций ИТС КПИ им. Игоря Сикорского рассказывает, что идеология разветвленного спутника не только позволяет разместить на орбите телекоммуникационные средства, но и развернуть сеть спутников вычислителей: «Это наше ноу-хау - разместить на орбите очень много вычислителей, которые будут работать как расположена в космосе разветвленная компьютерная сеть. Учитывая, что она очень близко приближена к пользователю, 10-20 миллисекунд передачи сигнала с Земли на борт этого спутника - и устройство уже получило доступ к вычислительным мощностям ».
В КПИ уже более 20 лет под руководством профессора Федора Дубровки разрабатывают уникальные наземные антенные комплексы спутниковых информационных систем для всего мира. Ведь высокоскоростную передачу больших объемов информации со спутника на Землю - это львиная доля успеха дистанционного зондирования. Для этого в лабораториях Института телекоммуникационных систем работают над моноимпульсной системой связи.
Заведующий кафедрой теоретических основ радиотехники КПИ им. Игоря Сикорского Федор Дубровка особенно гордится изобретением университетских ученых - логопериодической антенной: «Фактически это изобретение Украины №1. Она отличается от известных технических решений тем, что изготавливают ее из одного листа металла и контакт между вибраторами там надежный абсолютно. Такая антенна яаляется очень практичной. В течение 10 лет их выпущено более 50 000 штук и не было ни одной рекламации. Мы разработали и запустили в работу большую зеркальную антенную систему - земную станцию многолучевую размером 16 на 7 метров. А это как 5-этажный дом ».
Успех КПИ в международной космической миссии
Весь мир наблюдал, как капсула с образцами грунта с астероида Рюґу приземлился на Землю. Это событие может кардинально изменить представление человечества о возникновении жизни. Оно было бы невозможно без инженеров КПИ. Наши ученые разработали систему тепловых труб, благодаря чему космический аппарат MASCOT с 2014 года смог преодолеть 3 миллиарда километров за 3,5 года и успешно приземлился на астероид в октябре 2018-го. Владимир Кравец, профессор кафедры атомных электрических станций и инженерной теплофизики КПИ им. Игоря Сикорского, вспоминает, как ученые взялись за работу над MASCOT: «Бельгийцы и испанцы не смогли сделать в течение года такую конструкцию, которую было необходимо. Попробовали - и ничего не получилось. Затем мы начали разрабатывать внутренние капиллярные структуры, теплоносители подобрали такие, как нужно, и, когда нам это удалось, сразу же организаторы проекта взялись делать полетные образцы ».
Киевская политехника тесно сотрудничает с конструкторским бюро «Южное», которое является головным предприятием космической отрасли Украины, занимает одно из ведущих мест на мировом космическом рынке и участвует в проектах NASA.
В этом году КПИ планирует принять участие в амбициозной научно-инновационной программе ЕС - «Горизонт Европа». Среди направлений нового проекта - умные города, адаптация к климатическим изменениям, улучшение здоровья людей и тому подобное. Они перекликаются с исследованиями, которые проводят и киевские политехники, поэтому собственные наработки в который раз дают КПИ много преимуществ. Начальник отдела координации международной проектной деятельности КПИ им. Игоря Сикорского Сергей Шукаев рассказывает, что залогом успеха КПИ в этой программе имеются более выгодные условия, что их университет предложил консорциуму европейских университетов, в составе которого уже работал раньше: «КПИ имеет специалистов практически во всех отраслях. Поэтому мы с этим же консорциумом готовим новые проекты. К сожалению, это конкурс, и не всегда его можно выиграть. Одна же из идей этого проекта - дать толчок для развития взаимоотношений украинского и европейского бизнеса».
КПИ и в дальнейшем будет выполнять широкомасштабные космические исследования в составе международных и отечественных проектов, изучать необъятные возможности космоса ради его пользы для человечества и нашей страны.
Подробнее о космических проектах КПИ можно узнать из фильма «КПИ: покорение космоса»:
Михаил Згуровский, ректор Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского», академик НАН Украины