Как мы строим некоммерческий спутник

Предисловие

Вот уже полгода SuperFonarik участвует в очень интересном проекте - разработке некоммерческого спутника "Маяк".
Спутник очень простой: после запуска и выхода на орбиту 600км он разворачивает 7-метровый отражатель, сделанный из "космической пленки" в форме тетраэдра, и пускает "солнечные зайчики" на Землю.
Его можно будет увидеть невооруженным глазом на небе, как яркую звезду!

Проект мы нашли совершенно случайно в блоге Зеленого кота, и сразу же было решено влиться в проект :)
Что характерно - проект некоммерческий, и средства на его реализацию были собраны краудфандингом.

Вообще мы много разрабатываем разной электроники, делаем на заказ фонари, батареи и аккумуляторы, но именно этот проект нам дорог, как никакой другой.

Спутник выполнен в виде стандартного 3U CubeSat, т.е. коробки размером 30х10х10см. Внутри находится электроника, батареи, сложенный отражатель, а также два реактора: один для надувания отражателя, другой - для его закрутки, чтобы наша "звезда" мерцала в небе.

Реакторы в спутнике - самое интересное. По идеологии CubeSat мы не можем использовать сжатый газ, реактивные двигатели и вообще никакой пиротехники.

В результате в реакторах находится слой бикарбоната аммония (по сути - пищевой разрыхлитель для теста), который мощными 300-ваттными нагревателями доводится до температуры разложения и выделяет газ. Этот газ и надувает реактор, а затем и раскручивает спутник.

В лаборатории SuperFonarik мы делаем батарею, чтобы питать электронику спутника и эти нагреватели.

В этой статье не будет ученых в белых халатах, а будут только приключения и хардкор :)

Кому лень читать - могут сразу перейти к разделу Запуск

Первые изыскания

Долго мучаем инженеров реактора: какая мощность и энергия нужна для работы? В ответ получаем множество теоретических расчетов по химии и энергетике, но реальных данных по мощности нагревателей нет.

В результате берем дело в свои руки и делаем прототип реактора "из спичек и желудей", т.е. из макетных плат и нихромовой проволоки:

Второй макет: две платы, между ними - нихромовая проволока, 7 грамм реагента и все это на весах.

Подаем ток, снимаем показатели: уменьшение массы реагента, подводимая мощность, попутно контролируем температуру тепловизором. В результате получаем то, что нужно: реагент разлагается линейно, пропорционально подводимой мощности:

Понимаем наши требования по необходимому току, напряжению и мощности батарей, и приступаем к выбору типа и химии аккумуляторов. Копаемся в каталогах. Экзотику отбрасываем сразу - достать в малых количествах и за разумные деньги ее нельзя. Отбрасываем Ni-Mh, Ni-Cd из-за малой энергоемкости. Останавливаемся на литиевых, но вот брать перезаряжаемые аккумуляторы или одноразовые батарейки - большой вопрос. Дополнительно нужно решить, как их комбинировать, на какое напряжение собирать сборку.

Гонка

И в это раннее октябрьское утро координатор проекта Александр Шаенко озадачивает: тестовый запуск в стратосферу совместно со Сколковскими институтом - через 2 недели!

Сколково запускает 4 научных шара в рамках курса по проектированию космических аппаратов, и группа, разрабатывающая один из них, согласилась повесить "паровозом" к своей нагрузке наш спутник.

Пытаемся возражать: реактора нет, батарей нет, электроники нет, системы управления - тоже нет. По сути - вообще ничего еще нет, только мысли, проекты, чертежи и вагон идей. Александр со всеми доводами соглашается, но лететь все равно надо.

Надо так надо. Понимаем, что за 2 недели ни заказать у производителя, ни тем более привезти батареи мы физически не успеем, поэтому полетим на том, что есть. Включаемся в гонку и начинаем работать по ночам.

На складе находим аккумуляторы Sanyo 18650 с емкостью 2600мАч. Прикидываем энергетику, вроде 18шт должно хватить. Рождается схема 3p6s (по три банки параллельно, 6 сборок по 3 - последовательно). Среднее напряжение сборки - 21.6В. Проектный ток реактора - 7 ампер.

На нашем лазерном станке быстро вырезаем из оргстекла арматуру, чтобы закрепить банки вместе и соединить с реактором.

Осознаем, что при падении с высоты 30км, даже на парашюте, оргстекло разлетится вдребезги, но выживаемость всего спутника в условиях гонки приносим в жертву. Главное - чтобы он на высоте отработал как положено!

Устало думаем над тем, как лучше варить сборки: горизонтально или вертикально. Решаем верхний ряд - горизонтально, остальные - вертикально. Варятся они точечной сваркой.

Измеряем внутреннее сопротивление аккумуляторов. Это нужно для того, чтобы через параллельно соединенные аккумуляторы тек одинаковый ток. Подбираем наиболее близкие. На заднем плане - уже готовый реактор, заряженный реагентом.

Варим, собираем, заряжаем, балансируем батарею, примеряем оргстекло, собираем огромный радиатор с 200Вт имитатором нагрузки, чтобы сделать тестовый прогон для испытания всей батареи.

Вроде всё подходит и собирается. Подключаем и вкачиваем все 200 ватт в нагрузку. Пока нагрузка медленно прожигает стол, смотрим тепловизором на нагрев самой батареи.

Вполне в расчетных пределах - нагрев чуть выше 40 градусов.

За 4 дня до запуска начинаем делать электронику. Хочется логгером записать максимальное количество параметров телеметрии: контролировать ток, напряжение, температуру в 8 точках, высоту, давление, координаты шара, и еще много чего.

Времени катастрофически не хватает, устраиваем мозговой штурм: в основном обсуждаем, от чего отказываемся ради ускорения процесса. Решаем писать ток батареи, ее напряжение, поставить три термодатчика в батарейный блок.

Оставшуюся информацию будем писать с маршрутного компьютера Дениса Ефремова (Денис организовывает сами стратосферные запуски), он же дает команды на включение и выключение реактора. Быстро на макетке собираем электронный блок, переваривающий 10 ампер. Ставим в пазы батарейного блока, термоизолируем батареи, собираем с маршрутным компьютером.

До запуска - менее 10 часов, отказываемся от термодатчиков внутри батареи. Ставим один цифровой термодатчик на сопло (чтобы понять, работает ли реактор), один на корпус, и несколько термодатчиков будут внутри маршрутного компьютера.

Включаем имитацию полета, и в ночь перед запуском делаем финальный прогон. Все работает как часы:

План такой: шар взлетает на 20км, включает реактор, реактор выжигает реагент, камера пишет, как из сопла идет дым. После того, как шар лопнет (высота 32-35км), вся конструкция устремляется на парашюте вниз, и, пролетая мимо 20 км, реактор выключается.

Упаковываем спутник, взвешиваем (это нужно для определения нужного количества гелия), вынимаем предохранитель (о, сколько веселья он нам потом добавит!), и заматываем всю конструкцию полимерным скотчем.

Спим два часа и выезжаем под Шатуру для запуска. Успели!

Запуск

Шары запускаются ранним утром, чтобы воздух был как можно холоднее и они поднимались быстрее. Чем быстрее поднимается шар - тем меньше он улетает по горизонтали, и тем ближе его потом искать. В 5 утра, в холод и дождь, все уже на месте.

Денис провеяет ветра на разных высотах, согласовывает запуск с управлением воздушным движением, чтобы в наши зонды ненароком не влетел какой-нибудь самолет. Диспетчер дает добро, подтверждает организацию бесполетной зоны, а мы начинаем готовиться к запуску.

Вытаскиваем баллоны с гелием:

Наш кубсат (черный куб внизу), прикрученный к маршрутному компьютеру (серая коробка вверху) цепяется тросами к полезной нагрузке (глобусу с электроникой):

Приматываем схему: Стратосферный зонд, парашют, дополнительный GPS-трекер, глобус с камерой и вторым трекером, и в конце наш спутник:

Спутник уносится в начинающее светать небо:


А мы делаем две пометки в блокнотик:
1) Не заматывать наглухо рабочие гнезда;
2) Составить Checklist перед запуском, чтобы исключить такие казусы в будущем.

Долгие поиски

Дождь перестает. Расходимся по машинам и едем завтракать в ближайший населенный пункт с забавным названием Спас-Клёпики.
С удивлением обнаруживаем, что мы уже в Рязанской области, и что в этом милом городке масса достопримечательностей, связанных с Сергеем Есениным.

Пока мы завтракаем, а Алессандро дает интервью какому-то телеканалу, наши шары летят:

"Dark Side of the Balloon" Flight on Vimeo.

Через три часа пищат GPS-трекеры. Зонды успешно лопнули, приземлились, нашли сеть и ждут, чтобы их подобрали:

Смотрим координаты: первые два шара приземлились недалеко, километрах в 50 от места базирования, а вот наш из-за большой массы поднимался медленно, и его унесло за Оку. По прямой - 170км, но удобного моста через Оку нет, и придется делать крюк, итого маршрут до шара - 310км:

Весь день проходит в поисках шаров других команд, и в районе обеда нам удается выдвинуться в сторону Выксы. Приезжаем туда уже затемно, и возникает проблема: спутник упал в районе Выксунской узкоколейки, которая использовалась для вырубки и вывоза леса. От ближайшей дороги - 10 километров по слякоти, заброшенным просекам и болотам.

Несколько часов пытаемся туда проехать с разных сторон, застреваем. Однако, нужно что-то полноприводное.
Совещаемся, Денис решает попробовать проехать на внедорожнике. Части людей необходимо успеть на поезд. Разделяемся, желаем удачи и едем домой:

На следующий день Денис совершает невозможное: им все же удалось подъехать максимально близко к месту приземления, и спутник был спасен!

Разбор полетов

Первое, что поразило - почти полная нетронутость конструкции. Мы ожидали, что акриловый кожух батареи рассыпется, но, на удивление, он даже не треснул.

Начинаем анализировать логи, записанные маршрутным контроллером.

Строим графики. Высота:

Температура. Любопытно, что по мере подъема температура сначала падает до -35°, а далее, к высоте 20км, уже близка к нулю. Эта область атмосферы - тропопауза, теоретически мы это знали, но так приятно это увидеть на собственном графике! Но также видно и главное - температура на сопле реактора (красный график) выросла после включения реактора почти на 40°C, а значит, эксперимент прошел удачно! Маршрутный компьютер упакован в толстый слой пенопласта, и график температуры у него намного более сглаженный.

Ток был расчетным, напряжение аккумулятора сначала просело (видимо, замерз), а затем, разогреваясь, оттаял и восстановился до проектного.

Однако, 7 минут работы - это совсем не то, что было нужно, принимаем решение дожечь оставшийся реагент в лаборатории. Реагент сильно пахнет аммиаком, поэтому делаем все во дворе нашего бизнес-центра.
Включаем программу имитатора полета:

Запускаем реактор. Сначала разлагается весь реагент, затем - воняет жженый текстолит, потом происходит "Пшик" и идет белый дым:

Это перегрелся и свентилировал (но не взорвался в прямом смысле слова) один из аккумуляторов.

Реактор выработал весь реагент, и даже проработал в полтора раза дольше расчетного времени. Разбираем сборку. Все внутренности - в остатках реагента. Герметичность реактора была недостаточной. В следующих версиях устраним.

Вот и отказавший аккумулятор. Осталось неясным - то ли причина кроется в ударе при падении, то ли в недостаточно точной балансировке аккумуляторов. Впрочем, судя по графику телеметрии, его отказ не повлиял на работу всей батареи в целом и реактора.

Зимой мы не сидели сложа руки, и в спокойной обстановке вся команда плодотворно работала.

Мы нарезали лазером рулон космической пленки, чтобы отправить ее кусочки спонсорам под Новый Год, выбрали очень крутые твердотельные нагреватели, подобрали более подходящие батареи и рассчитали их, сделали новые модели реакторов, электронику с защитой от космических лучей и отказов, а также разработали очень компактный, жесткий и функциональный корпус, сделали макет отражателя, расчет баллистики, орбиты и других параметров жизни спутника, но все это - совсем другая история :)

Летом 2015 будет новый запуск, на этот раз - практически финальная модификация спутника, а затем - уже вывод на орбиту и появление новой звезды на небе!

Поздравляем всех с Днем Космонавтики! Вместе мы сделаем космос немного ближе :)

PS: Команде, работающей над Спутником: Коллеги, вы невероятные профессионалы и с вами чертовски приятно работать! :)

PPS: Вот и в Московском Комсомольце статья про наш проект вышла.