Для київських політехніків космос – досяжний!
Київська політехніка: шлях у космос
28 січня цього року першому і єдиному космонавту незалежної України Леоніду Каденюку виповнилося б 70 років. Для української космічної історії ця постать є знаковою. 1997 року Леонід Каденюк здійснив космічний політ у складі міжнародного екіпажу на кораблі NASA «Колумбія». Український космонавт у цій експедиції виконував роль біолога-дослідника: він з’ясовував, як стан невагомості впливає на ріст і розвиток рослин. Для України політ Леоніда Каденюка став справжнім проривом і переконливим доказом, що ми маємо право називати себе космічною державою.
Окрім польоту в космос, Леонід Каденюк відзначився тим, що брав участь у проєктуванні та випробуваннях авіаційно-космічних систем. Понад те – як льотчик випробувач 1-го класу освоїв пілотування і випробував п’ятдесят видів літаків, написав п’ять наукових праць, був позаштатним радником Президента України Леоніда Кучми з питань авіації та космонавтики, а 2011 року – радником Прем’єр-міністра України з питань авіації та космонавтики.
А ще Леонід Костянтинович Каденюк мав безпосередній стосунок до КПІ: він був заступником голови Наглядової ради університету, почесним доктором факультету авіаційних і космічних систем, радником ректора й активно сприяв підготовці фахівців аерокосмічного профілю…
Сьогодні українською космічною програмою опікується Державне космічне агентство, а розробленням космічної техніки та навчанням інженерів для космічної галузі у найбільших в країні масштабах займається Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського».
Перші українські наносупутники
У те, що їхній університет, нехай і найкращий з-поміж українських технічних вишів, зможе власними силами створити наносупутник, спочатку не дуже вірили й самі політехніки. Та нині у КПІ їх п’ять: два вже запущено, ще три перебувають на різних етапах розроблення.
Усі КПІшні наносупутники мають формат Кубсат: розміром 10х10х10 см і масою не важче за 1,33 кілограма. У складі одного сателіта такого формату допускається об’єднувати до 6 кубів. За характеристиками вони нічим не поступаються своїм великорозмірним попередникам, але значно здешевлюють стадію виведення на навколоземну орбіту і практично не призводять до накопичення «космічного сміття». Цими їхніми особливостями пояснюється світовий тренд дослідження космосу саме на базі Кубсат.
«Маленька коробочка вагою всього-на-всього до кілограма, а втім, може виконувати всі функції великого супутника. Тобто вона може самоорієнтуватися в космосі, може приймати й передавати дані», – пояснює принцип роботи інженер-розробник наносупутників Євгеній Коваленко.
Перший університетський наносупутник «Політан-1» виведений на навколоземну орбіту ще 2014-го. Він виявився найвитривалішим – і досі передає сигнали на Землю. Його створили студенти й науковці одразу шести факультетів та інститутів КПІ. До світових тенденцій розвитку надмалих космічних апаратів для дослідження світового простору вони долучилися 2009 року. Головною місією «Політан-1» було випробування життєдіяльності супутника й усіх підсистем в умовах космосу, перевірка їхньої взаємодії, відпрацювання найважливіших команд. За 5 років по тому «Політан-1» разом із трьома десятками університетських супутників із 17 країн світу вдало вийшов на навколоземну орбіту.
«Теплоенергетичний факультет – це опорна конструкція забезпечення теплового режиму. Радіотехнічний факультет – система передання й приймання інформації. Інститут телекомунікаційних систем – власне телепорт для приймання і передання інформації. Сонячна фотоенергетика – це факультет електроенергетики та автоматики разом із камерами для випробування», – розповідає керівник космічної програми проректор з наукової роботи КПІ ім. Ігоря Сікорського (1988–2019), академік НАН України Михайло Ільченко.
Розробники відводили супутнику максимум рік життя в космосі. Та він на орбіті вже 7-й рік. «Політан-1» став рекордсменом. Жоден із трьох десятків супутників інших країн, які одночасно з ним було виведено на космічну орбіту, на ній так довго не протримався.
Успіх першого «Політану» став поштовхом до нових наукових проєктів. У КПІ почалася робота над другим апаратом. Удвічі більший та важчий за свого попередника «Політан-2» вийшов на орбіту з борту Міжнародної космічної станції в рамках проєкту QB50 вже із власним науковим завданням. «Політан-2» став міжнародним проєктом з корисним навантаженням. Він був запущений для вимірювання концентрацій атомарного кисню в термосфері – шарі атмосфери, нижня межа якої починається на висоті 80–90 км, а верхня сягає 400–800 км.
Передбачити землетруси та цунамі з космосу
Коли супутник повністю виконав свою місію, науковці Київської політехніки взялися за третій Кубсат – «Політан-3» – для дистанційного зондування Землі, екологічного моніторингу, прогнозу землетрусів і досліджень іоносфери. Нині інженерна модель супутника проходить низку тестувань.
«Третій „Політан“ передаватиме зображання Землі й скидатиме ці дані нам. Супутник відрізняється тим, що матиме додатковий блок, камеру, спеціальні крила, які збільшать електроживлення супутника», – пояснює інженер-розробник наносупутників Іван Старовіт.
До проєкту долучилися науковці Познанської політехніки з Польщі – в частині проєктування окремих електронних підсистем. Апарат планується вивести на космічну орбіту 2021 року.
Водночас розробники працюють над четвертим «Політаном», головним завданням якого буде проведення біологічних експериментів з метою відпрацювання технологій вирощування їжі для космонавтів під час польоту. Отож цей проєкт реалізується спільно з Інститутом ботаніки Національної академії наук України. «Четвертий супутник „Біосат“ імітуватиме й вирощуватиме продукти високих рослин, які можуть бути використані для далеких космічних проєктів, зокрема для місячних програм України й так само, можливо, за кордоном. Є унікальність в тому, що проєкт визнаний космічним агентством не тільки України, а й Іспанії, Китаю», – ділиться керівник групи розробників наносупутників Борис Рассамакін.
П’ятий наносупутник КПІ – «Гравісат» – досліджуватиме електромагнітні поля Землі та характеристики земних катаклізмів – землетрусів і цунамі. Розроблене вченими унікальне обладнання для космічних досліджень дозволить рятувати мільйони життів на Землі, адже здатне передбачити землетрус за 24 години до його початку. На базі «Гравісату» планують створити апарати й для дослідження далекого, міжпланетного космосу. Супутник зможе дистанційно вимірювати масу комети.
Успішний запуск і розроблення наносупутників забезпечила унікальна університетська матеріально-технічна база. Для випробування малогабаритних космічних апаратів у КПІ навіть створено лабораторію зі спеціальними камерами, що імітують темряву, холод і вакуум космосу.
КПІ та його мікросупутники
Співробітники конструкторського бюро КПІ «ШТОРМ» створюють супутники іншого класу – мікро. Це космічні апарати спеціального призначення вагою близько 100 кілограмів. Науковці університету спроєктували угрупування з 6–8 мікросупутників, які, одночасно перебуваючи на навколоземній орбіті на висоті 600 км, здатні здійснювати дистанційне зондування земної кулі з роздільною здатністю пів метра. Такий високий результат забезпечує оптичний сканер, який, як і корпус супутника, виготовлено з надміцного, надлегкого та високотемпературного керамічного матеріалу. Його авторами також стали розробники з КПІ. Старший науковий співробітник КПІ ім. Ігоря Сікорського Євген Солодкий переконаний: кращого матеріалу, ніж кераміка, для таких цілей годі знайти: «Кераміка досить легка у порівнянні з металевими матеріалами. Тож керамічні конструкції можуть бути в 3–4 рази легшими, що значно підвищує корисну вагу цього літального апарата. А ми знаємо, що будь-яка ціна запуску визначається на 1 кілограм устаткування. Кераміка здатна працювати в умовах космосу. Це знакозмінні температурні навантаження, вона також має низький коефіцієнт термічного розширення».
Схожі угрупування супутників планують використовувати для дистанційного зондування землі цивільного та оборонного призначення.
Власні супутники розкривають широкий спектр можливостей. Скажімо, вчені КПІ розробили свій варіант Інтернету речей. Працюватиме система завдяки розподілу корисного навантаження одного супутника між угрупуванням мікро- та наносупутників формату Кубсат. Це дасть змогу власникові керувати своїм розумним будинком з будь-якої точки планети. Система функціонуватиме завдяки так званим станціям спряження, що зв’язуватимуть космічний і наземний сигнали.
Сергій Капштик, помічник начальника Національного центру управління та випробовування космічних засобів, доцент кафедри телекомунікацій ІТС КПІ ім. Ігоря Сікорського розповідає, що ідеологія розгалуженого супутника не лише дозволяє розмістити на орбіті телекомунікаційні засоби, а й розгорнути мережу супутників обчислювачів: «Це наше ноу-хау – розмістити на орбіті дуже багато обчислювачів, що працюватимуть як розташована в космосі розгалужена комп’ютерна мережа. Зважаючи, що вона дуже близько наближена до користувача, 10–20 мілісекунд передання сигналу із Землі на борт цього супутника – і ваш пристрій вже отримав доступ до обчислювальних потужностей».
У КПІ вже понад 20 років під керівництвом професора Федора Дубровки розробляють унікальні наземні антенні комплекси супутникових інформаційних систем для всього світу. Адже високошвидкісне передавання великих обсягів інформації із супутника на Землю – це левова частка успіху дистанційного зондування. Для цього у лабораторіях Інституту телекомунікаційних систем працюють над моноімпульсною системою зв’язку.
Завідувач кафедри теоретичних основ радіотехніки КПІ ім. Ігоря Сікорського Федір Дубровка особливо пишається винаходом університетських вчених – логоперіодичною антеною: «Фактично це винахід України №1. Вона вирізняється від відомих технічних рішень тим, що виготовляють її з одного листа металу і контакт між вібраторами там надійний абсолютно. Така антена є дуже практичною. Протягом 10 років їх випущено понад 50 000 штук і не було жодної рекламації. Ми розробили й запустили у роботу велику дзеркальну антенну систему – земну станцію багатопроменеву розміром 16 на 7 метрів. А це як 5-поверховий будинок».
Успіх КПІ у міжнародній космічній місії
Весь світ спостерігав, як капсула зі зразками ґрунту з астероїда Рюґу приземлилась на Землю. Ця подія може кардинально змінити уявлення людства про виникнення життя. Вона була б неможливою без інженерів КПІ. Наші вчені розробили систему теплових труб, завдяки чому космічний апарат MASCOT з 2014 року зміг здолати 3 мільярди кілометрів за 3,5 роки й успішно приземлився на астероїд у жовтні 2018-го. Володимир Кравець, професор кафедри атомних електричних станцій і інженерної теплофізики КПІ ім. Ігоря Сікорського, пригадує, як вчені взялися за роботу над MASCOT: «Бельгійці та іспанці не змогли зробити протягом року таку конструкцію, яку було необхідно. Спробували – й нічого не вийшло. Потім ми почали розробляти внутрішні капілярні структури, теплоносії підібрали такі, як потрібно, і, коли нам це вдалося, одразу ж організатори проєкту взялися робити польотні зразки».
Київська політехніка тісно співпрацює з конструкторським бюро «Південне», яке є головним підприємством космічної галузі України, посідає одне з провідних місць на світовому космічному ринку й бере участь у проєктах NASA.
Цього року КПІ планує взяти участь в амбітній науково-інноваційній програмі ЄС – «Горизонт Європа». Серед напрямів нового проєкту – розумні міста, адаптація до кліматичних змін, покращення здоров’я людей тощо. Вони перегукуються з дослідженнями, які проводять і київські політехніки, тож власні напрацювання вкотре дають КПІ багато переваг. Начальник відділу координації міжнародної проєктної діяльності КПІ ім. Ігоря Сікорського Сергій Шукаєв розповідає, що запорукою успіху КПІ в цій програмі є вигідніші умови, що їх університет запропонував консорціуму європейських університетів, у складі якого вже працював раніше: «КПІ має фахівців практично у всіх галузях. Тому ми з цим само консорціумом готуємо нові проєкти. На жаль, це конкурс, і не завжди його можна виграти. Одна ж з ідей цього проєкту – дати поштовх для розвитку взаємовідносин українського та європейського бізнесу».
КПІ й надалі виконуватиме широкомасштабні космічні дослідження у складі міжнародних і вітчизняних проєктів, вивчатиме неосяжні можливості космосу задля його користі для людства і нашої країни.
Докладніше про космічні проєкти КПІ можна дізнатися з фільму «КПІ: підкорення космосу»:
Михайло Згуровський, ректор Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського», академік НАН України
