QB50 - европейская программа исследования атмосферы Земли

Что такое QB50?

Описание программы и способов участия команд можно прочитать на сайте www.qb50.eu в документе Call for QB50 CubeSat Proposals . Ниже приведен вольный перевод описания проекта.

QB50 это европейская инициатива по исследованию атмосферы. Во время выполнения этой миссии будет запущено 50 спутников стандарта CubeSat. Все спутники будут запущены одновременно в первой половине 2015 года на ракетоносителе “Штиль-2.1”. Спутники будут выведены на орбиту высотой 320км и наклонением 79°. Из 50 спутников 40 будут двойные (2U) для исследования атмосферы и 10 двойные или тройные(3U) для научных исследований и демонстрации технологий. Все 40 двойных спутников и большинство из 10 двойных-тройных  будут нести стандартизированный набор датчиков для измерения ключевых параметров и состава нижней термосферы и ионосферы. Многоточечтные измерения позволят разделить пространственные и временные изменения измеряемых параметров. Вследствие торможения об атмосферу орбита спутников будет постепенно снижаться, таким образом будут исследованы все более низкие слои атмосферы без необходимости иметь на борту двигательную установку. Ориентировочное время жизни спутников оценивается в 3 месяца.

Будут также измерены ряд параметров при входе спутников в атмосферу. Таких как температура и замедление орбитальной скорости спутников. В ходе изучения будет проведено сравнение предсказанной (на основе различных моделей атмосферы) и реальной траекторий снижения и времени жизни спутников.

Один спутник стандарта CubeSat слишком мал для того чтобы разместить на нем датчики для каких-либо значительных научных исследований. Поэтому цель участия в программе разработки и запуска спутника для университетов может быть, в основном, образовательная. Тем не менее, информация, полученная одновременно несколькими спутниками с идентичным набором датчиков, будет иметь фундаментальную научную ценность. Такую информацию невозможно получить другими способами. Распределенные сети спутников обсуждаются в сообществе CubeSat уже несколько лет. Но до сих пор ни один университет или космическое агентство не реализовало запуск столь многочисленной группировки спутников. Надежность отдельного спутника в такой конфигурации не имеет решающего значения, потому что даже в случае отказа нескольких спутников, оставшаяся в строю группировка выполнит свою задачу.

QB50 - это первая большая группировка спутников на низкой орбите. По сравнению с группировкой спутников на высоких орбитах, такая конфигурация имеет ряд преимуществ:

• Время жизни спутника Cubesat на предполагаемой низкой орбите составит 3 месяца, что намного меньше 25 лет регламентированных международными соглашениями о космическом мусоре

• Низкая орбита позволяет обеспечить высокую скорость передачи данных, в связи с уменьшением дистанции между спутником и наземной станцией

• Низкая орбита позволяет спутникам летать ниже радиационного пояса Земли, что для спутников стандарта Cubesat является большим преимуществом, т.к. в них используются обычные коммерческие электронные компоненты, которые не сертифицированы для работы в условиях высокого радиационного воздействия

• Орбита Международной Космической станции поддерживается в пределах 335-400км. Если группировка спутников будет запущена на орбиту высотой менее 330км, то это предотвратит опасность столкновения спутников с МКС.

Для спутников, находящихся в нижней термосфере/ионосфере, короткое время жизни не будет сдерживающим фактором, как и для первичной образовательной цели университетов, т.к. образовательные функции аппарата могут быть достигнуты и при коротком существовании аппарата на орбите.

Нижняя часть термосферы/ионосфера Земли является наименее изученной на данный момент в силу трудностей проведения измерений на высотах от 90 до 320 км. На такую высоту невозможно запустить зонды на воздушных шарах, а для спутников такие высоты являются трудно доступными. Пять исследовательских аппаратов для исследования атмосферы было запущено НАСА в период с 1963 по 1981гг. Эти КА перемещались по высоко-эллиптическим орбитам 200 км в перигее, 3000 км в апогее и несли аппаратуру для измерений атмосферы, но время пребывания в зоне интереса, наже 330 км, составляло всего несколько десятков минут. В настоящее время измерения термосферы можно проводить с использованием ракет-зондов. Но время измерений еще меньше и составляет всего несколько минут, и таких запусков производится всего несколько в году. Мощные инструменты дистанционного зондирования Земли находятся на спутниках на высоких орбитах 600-800 км, они принимают отраженные сигналы атмосферных возмущений с разных высот. На данный момент это наилучший инструмент для исследования атмосферы на высотах до 100 км, но он не очень подходит для исследования нижней термосферы потому что атмосфера там сильно разрежена и отраженные сигналы слабы. Эти же факторы ограничивают и сканирование атмосферы с поверхности Земли с помощью лидаров и радаров. Многоточечные измерения, которые будут выполнены по программе QB50, будут дополнять картину полученную сканированием атмосферы со спутников и с поверхности Земли.

Космические агентства не производят запусков каких-либо значительных группировок спутников для изучения нижней термосферы, потому что группировка из 50 спутников промышленного стандарта потребует огромных и неоправданных затрат с учетом ограниченного времени существования спутников на таких высотах. Подобных миссий не проводилось ни в прошлом, ни планируется провести в будущем. Группировка спутников для натурных измерений в нижней термосфере может быть реализована только с использованием очень недорогих космических аппаратов. И использование спутников CubeSat является более чем реалистичной затеей.

Способы участия в проекте

В программу допускаются команды представляющие из себя:

• Университет или Институт.
• Два или больше Университета, работающие в сотрудничестве.
• Университет и коммерческая фирма, работающие в сотрудничестве (при этом Университет должен выполнять заглавную роль в этом партнерстве).

Если кратко, то от Университета требуется, помимо собственно участия в разработке спутника, участие в софинансировании проекта. Программа QB50 со своей стороны финансирует:

• 75 % стоимости запуска спутника,
• 75 % стоимости системы отделения спутника (custom-designed deployment system)
• 75 % стоимости выбранного набора сенсоров
• 75 % стоимости  сопряженной с обслуживанием самого запуска и интерфейсов подключения к ракетоносителю (не совсем понятный пунт)
• 75 % стоимости  транспортировки 50 спутников CubeSat из Нидерладов на космодром для запуска
• 75 % стоимости прочих затрат, связанных с запуском (предстартовые проверки, интеграция с ракетоносителем и т.п.)

К участию в проекте допускаются спутники размером 2U  или 3U. При участии в программе со спутником размером 2U, несущим предоставленный QB50 набор сенсоров, размер софинансирования со стороны Университета будет составлять 20000 (двадцать тысяч) евро, о чем должен быть подписан соответствующий договор с VKI. В результате выполнения проекта все участники получат информацию, собранную всеми спутниками группировки, команда получит опыт в разработке и управлении спутником на орбите. Свободное место и ресурсы спутника могут быть использованы командами по собственному усмотрению.