Онлайн-журнал «Юный киберфизик»

Космический вызов: как собрать спутник, который не чувствует сопротивления на сверхнизкой орбите

2026-09-03 21:20 Настоящие технологии
Автор иллюстрации Shuga Hebi
В России уже восемь лет проводятся конкурсы Up Great. Решения конкурсантов позволили находить больше пропавших людей и лучше искать археологические объекты в земле. Юрий Молодых, управляющий директор центра развития технологических конкурсов НТИ, рассказывает о новом конкурсе: его участники проектируют физически малый космический аппарат, а также спутниковую группировку для сверхнизких орбит (от 100 до 280 километров).

Технологические конкурсы проводятся как минимум с XVIII века, первым принято считать британский Акт о долготе — конкурс с призом в 20 000 фунтов стерлингов, в результате которого Джон Гаррисон в 1735 году создал морской хронометр, необходимый для европейской морской экспансии.

Почему новый конкурс Up Great посвящен именно сверхнизким орбитам

Сейчас в сторону сверхнизких орбит смотрит весь мир. Во-первых, на низких орбитах (400–500 километров) уже очень много спутников: совокупный размер группировки Starlink превысил 10 000 аппаратов; КНР также планирует запуски десятков тысяч спутников.
Вторая причина в том, что чем ближе спутник к Земле, тем лучше он может выполнять свою целевую функцию. Камера с определенным фокусным расстоянием и углом обзора, находящаяся на высоте 200 километров, дает фактическое разрешение снимка в два раза выше, чем на высоте 400 километров. У спутника связи с более низкой орбиты меньше время отклика, меньше требования по энергетике. Наземный терминал может быть меньше: меньше антенны, меньше энергопотребление. Возьмем технологию Direct-to-Cell, когда обычный сотовый телефон связывается со спутником: на высотах 350–400 километров — это одни энергетические затраты, требования к спутникам, габариты и мощность антенны, на высоте 200 километров — радикально меньше.
Более подробно о существующих спутниковых группировках читайте в статье Алексея Федосеева.
Третья причина в том, что сейчас и за рубежом, и у нас в стране появились разные подходы к двигателям, которые существенно лучше приспособлены для сверхнизких орбит. Например, есть экспериментальные разработки двигателей, которые не имеют своего рабочего тела. Набегающий поток частиц, которых чем ближе к планете, тем больше, ловится электромагнитной ловушкой, ионизируется и разгоняется в качестве ионизированной плазмы. Если такому двигателю хватает энергии и площади солнечных батарей, он может функционировать очень долго.
Недавно американцы запустили свои плоские спутники DiskSat именно в расчете на сверхнизкие орбиты: чем меньше толщина спутника и пятно, встречающее аэродинамическое сопротивление, тем меньше он тормозится газами, составляющими верхние слои атмосферы, термосферу и экзосферу.
Технологический конкурс Up Great «Сверхнизкие орбиты» направлен на наземную и космическую отработку различных подходов к созданию малых космических аппаратов для сверхнизких околоземных орбит, таких как космические аппараты обтекаемой формы (например, форм-фактор DiskSat) или перспективные двигательные установки.
• В финальном конкурсе спутники, успешно прошедшие наземные испытания, будут отправлены на орбиты не выше 280 км с целью показать работоспособность платформы и оценить экономические перспективы развертывания спутниковой группировки.
• На старте конкурса оргкомитет и эксперты будут рассматривать различные подходы команд-участников для фиксации ключевых параметров по массе и габаритам космических аппаратов для определения требований к выведению на орбиту.
• Призеры и победители разделят призовой фонд — 780 млн рублей.
Ссылка на сайт конкурса.

Up Great — конкурс по созданию киберфизических систем

Сначала на Земле на стендах, потом в космосе мы посмотрим, что работает, а что нет, и сможем сделать вывод: нужно ли вкладываться в сверхнизкие орбиты сейчас или технологии пока недостаточно созрели. А в идеале победителем конкурса станет спутник, который сразу можно пускать в серию.

Любой наш конкурс направлен на то, чтобы создать систему, которая будет работать не в ящичке стола и не в отчете. Лучший пример, конечно, — конкурс по поиску пропавших людей, где система, которую сделали участники в 2023 году, настолько хороша, что ее используют добровольцы, МЧС и МВД.
При этом коптер, с которым работали участники на испытаниях, не принципиален. Система используется на широком спектре DJI, «Мавиков», «Матрисов», на «Геосканах» различных комплектаций и форм-факторов, на ZALA, Суперкамах и многих других.

«ЛизаАлерт», начиная с прошлого года, стала наращивать парк самолетов с вертикальным взлетом российского производства. Если раньше поисковики гнались за оптимальным соотношением цена-качество, и тут небольшие коптеры максимально эффективны, ведь их можно поставить в каждый регион страны, то сейчас они пришли к тому, что по крайней мере на уровне группы из нескольких областей им нужен один-два самолета. Потому что скорость, с которой нейронка обрабатывает снимки, — такая, что бутылочным горлышком становится не обработка, которая раньше делалась вручную, а именно сбор данных. Соответственно, самолет, который летит быстро и высоко, — это эффективно.
Результат нашего конкурса встраивается в реальную эксплуатацию. Либо целиком — как в «Экстренном поиске», либо элементами, программными модулями, которые были отработаны на конкурсе.

Сами условия испытаний и конкретно регламенты, которые мы пишем, всегда ориентированы на то, чтобы продукт взаимодействовал со всеми системами, которые есть в физическом мире, для того чтобы эффективно выполнять задачу. Это касается и связи, и инфраструктуры, которая есть в той или иной конкретной задаче.

Почему при создании киберфизических систем обязательно нужно использовать моделирование

Во многих конкурсах, например, в тех, которые связаны с обработкой данных дистанционного зондирования Земли, мы первый этап заданий делаем чисто цифровым. Участники должны на собранном нами датасете показать, на что способны их модели. Есть конкурсы целиком цифровые. Посмотрев на то, как команды с коптеров собирают данные для поиска археологических объектов, мы запустили еще один конкурс, называется «Экспедиция Data Science», где вообще никаких полетов нет, а нужно с максимальной точностью предсказать расположение под землей городищ, фортификаций, захоронений, курганов. И сейчас, осенью 2026 года, мы видим, что, несмотря на то что конкурс еще не завершился, созданные уже сегодня решения точно будут использоваться археологами.
В космическом конкурсе в этом году мы испытываем физически одну подсистему — основной двигатель спутника. Помимо этого, делается 3D-моделирование аэродинамики, потому что на высотах в 100 километров и чуть выше очень много остаточных газов атмосферы, высокое лобовое сопротивление, спутник летит на большой скорости. Там нет настоящей атмосферы, по сути, это просто не очень разреженный вакуум. Призы мы будем давать по расчетной величине и по показателям двигателя: тяга, энергопотребление, время работы. По инженерной записке, в которой описан спутник и показано, какая у него площадь солнечных батарей, орбита и так далее, мы будем понимать, сможет ли этот двигатель компенсировать торможение об остаточные газы.

Продувки корпуса спутника в аэродинамической трубе не будет, а будет 3D-моделирование по 3D-модели корпуса. Фактически мы стараемся за счет 3D-моделирования снизить ценз на вход в конкурс. Это важно, потому что разработку технологические команды ведут за свой счет.
С одной стороны, мы будем иметь расчетную, но объективную величину: сколько этот спутник проработает на целевой орбите, насколько у него хватит рабочего тела, хватает ли ему энергетики. Получим значение: три месяца, полгода и так далее. По результатам первого конкурса выплатим первые призы. В следующем году команды будут собирать спутники целиком и проходить весь цикл наземных испытаний, который лучшие команды смогут профинансировать из призовых этого года. А потом, в 2028 году, те несколько спутников, которые все пройдут, смогут полететь на орбиту. Скорее всего, они станут попутной нагрузкой на каком-то из запусков.
Цифровое моделирование позволяет проверить аэродинамику без создания обшивки и далее рассчитать — будет ли хватать тяги на удержание орбиты.