"Наземный" космос – через испытания к звездам

Безопасность в космосе начинается с надежности аппаратуры на Земле. От качества наземных испытаний, которые проходят на предприятиях космической индустрии, зависит дальнейшая судьба спутников и космических кораблей, улетающих в космос. Корреспондент РИА Новости побывал в одном из вузов в Томске и выяснил, какие испытательные устройства есть в арсенале томских ученых.

"НИИ автоматики и электромеханики" Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) уже более 50 лет. В 90-е годы институт выжил "не благодаря, а вопреки": ученые научились зарабатывать деньги не столько теоретическими научными исследованиями, сколько конкретными научно-техническими разработками. Максимально востребованной оказалась тема наземных испытаний космических систем. Так томский институт начал вести серьезные разработки контрольно-проверочной аппаратуры для систем электроснабжения космических аппаратов.

"Именно система электроснабжения спутника, как и любого электротехнического изделия, во многом, если не во всем, определяет надежность космического аппарата. Если, например, отказала система ориентации, то аппарат потеряет целевую ориентацию и будет вращаться, но при рабочей системе электроснабжения всегда даст знать, что у него вышла из строя система ориентации. Если происходит сбой в системе терморегулирования, аппарат передаст эту телеметрическую информацию о состоянии на Землю и начнет принимать соответствующие команды управления. Однако, если вышла из строя система электроснабжения, которая содержит солнечную и аккумуляторную батареи, а также энергопреобразующую аппаратуру, спутник обречен — у него не работают ни антенны, ни ретрансляторы, ни усилители — аппарат не взаимодействует с внешним миром, к нему нельзя "обратиться", — объясняет директор НИИ Антон Юдинцев.

Как утверждают эксперты, настоящую солнечную батарею крайне неэффективно раскрывать на Земле. Во-первых, это громоздкая конструкция. Во-вторых, ее механически сложно раскрыть на Земле, поскольку в условиях притяжения она становится хрупкой. Плюс ко всему на Земле никогда не будет такой интенсивности солнца, как в космосе, тем более как на геостационарной орбите, ведь вокруг Земли геостационарные спутники вращаются на высотах примерно 36 тыс. км, где сильнейшее солнечное излучение.

Для того, чтобы проверить, работают ли системы электропитания в наземных условиях, применяется физическое моделирование, имитация электротехнических свойств солнечной батареи. Имитатор, созданный учеными "НИИ АЭМ ТУСУР", позволяет проверить работу солнечной батареи спутника, находящегося на любом типе рабочей орбиты (геостационарная, круговая и др.), то есть аппарат имеет возможность имитации режимов "вход в тень" и "выход из тени".

Имитаторы подключаются в обычную электрическую питающую сеть, а их электротехнические характеристики соответствуют характеристикам солнечной батареи.

"Космический аппарат, подключаемый в наземных условиях к разъемам имитатора, "не понимает", что это не солнечная батарея. Имитатор настолько адекватен по части электрических характеристик, что энергопреобразующая аппаратура работает с ним, как с настоящей батареей", — объясняет директор НИИ АЭМ.

Аналогичная ситуация с аккумуляторной батареей спутника. Применять реальные бортовые аккумуляторные батареи в наземных условиях неудобно: надо проверить все режимы (батарея заряжена, заряжена на середине или полностью разряжена). Как утверждают ученые, это долго и неэффективно.

По их словам, спутниковую батарею берегут как зеницу ока — до старта проверили, зарядили и больше не трогают. Это очень ценный элемент системы — "если его активно использовать на испытаниях, а потом поставить на спутник, ничего хорошего не выйдет". Поэтому применяют имитаторы аккумуляторных батарей.

Есть еще один нюанс: в наземных условиях невозможно подключить все активные нагрузки, которые работают на спутнике, запустить все его службы и подсистемы, потребляющие электроэнергию. Для этого в НИИ были разработаны и производятся имитаторы электрических нагрузок, воспроизводящие потребление электроэнергии бортовой аппаратурой спутника.

На всех космодромах России — Плесецк, Восточный, Байконур — стоят томские зарядно-разрядные комплексы для бортовых аккумуляторных батарей. Космический аппарат, готовящийся к старту в составе ракеты-носителя, находящийся под ее обтекателем, постоянно передает телеметрию о состоянии всех своих систем. Вопрос: чем питать этот спутник? Именно для этого стоят зарядно-разрядные наземные комплексы, которые поддерживают и контролируют спутник до самого старта. Как только ракета отрывается от стартового стола, эти устройства отстыковываются и спутник начинает полноценно питаться от собственной аккумуляторной батареи.

"На сегодняшний день мы единственные в стране, кто разрабатывает и производит контрольно-проверочную аппаратуру систем электроснабжения космических аппаратов. В данный момент мы имеем достаточно большое число контрактов и на три-четыре года загружены работой", — отмечает Антон Юдинцев.

Поскольку предприятие входит в состав ТУСУР, а вуз недавно стал участником программы "Приоритет-2030" (государственная программа поддержки университетов России), в НИИ АЭМ удалось обновить материально-техническую базу и закупить новую аппаратуру, которая позволит сократить сроки производства, улучшить качество выпускаемых изделий.

Вместе с тем, как утверждают ученые, сегодня принято слишком много законов, которые неоправданно ограничивают развитие наукоемких производств.

Кроме того, существенно тормозит производственный процесс кризис полупроводников.

"На этом поле развернулась настоящая война. Продукцию, которую мы применяем, не всегда возможно импортозаместить по целому ряду позиций. Поставки из Европы прекращены. Сейчас мы пытаемся переориентироваться на Китай, но и здесь все не так просто", — добавляет ученый.

Наземных испытаний томским инженерам показалось недостаточно, и несколько лет назад у них возникло непреодолимое желание попасть своей аппаратурой на космический борт, поскольку, как признаются сами ученые, "стоять на космическом борту хотя бы одним маленьким прибором — вопрос престижа и показатель высочайшего технологического уровня и культуры производства".

Дело в том, что литий-ионные аккумуляторные батареи нуждаются в выравнивающем устройстве. Если говорить примитивно, это как зарядное устройство для телефона, но не просто зарядное, оно еще и выравнивающее по элементам напряжения и контролирующее температуру в разных точках всей батареи.

Сегодня НИИ АЭМ ТУСУР участвует в опытно-конструкторской работе для пилотируемого транспортного корабля нового поколения. Его предназначение — доставка людей и грузов за пределы околоземной орбиты, в том числе к Луне. На этом ПТК, как и на любом другом космическом аппарате, будет установлена аккумуляторная батарея, а с этой батарей будет поставляться блок, разработанный томскими учеными. Кстати, этот сложнейший модуль выполняется только на отечественной элементной базе.

Для того, чтобы поставить пусть даже такой маленький прибор на космический борт, нужно провести огромное количество испытаний: механических, климатических, электрических и др.

Открытый космос — это вакуум. Как разработанное устройство будет вести себя в условиях вакуума? Это надо проверить на Земле. Для этого используют вакуумную камеру, в которой создается вакуум, приближенный к космическому. В термокамере имитируются условия повышенной влажности, пониженных (до - 75 °C) и повышенных (до + 100 °C) температур. Нет ни одного наземного устройства для космоса, которое не прошло бы через эту камеру. Электромеханический вибростенд применяется для проведения испытаний на воздействие вибраций и ударов.

"На аутсорсинг все это не отдашь, потом замучаешься собирать воедино. Все испытательное оборудование нужно иметь на самом предприятии-изготовителе, если уж мы говорим о предприятии полного цикла. А у нас оно именно такое: сами разрабатываем, сами производим, сами испытываем. Благодаря участию в проекте "Приоритет-2030" в ноябре мы закупили новые станки для экспериментально-производственных мастерских на 20 миллионов (в два раза больше, чем в прошлом году). У нас появился современный фрезеровочный станок с числовым программным управлением, а на днях мы должны получить новейший лазерный станок", — отмечает директор НИИ АЭМ.

В испытательной лаборатории томские ученые проводят испытания не только собственных разработок, но и готовых технических изделий для всех предприятий города, которым это необходимо.