В своей статье о плазменных ракетных двигателях я уже немного рассказывал о форматах спутников, называемых CubeSat. И даже делал статью о производителе таких спутников. Но, пожалуй, этот формат достоин отдельной статьи, а не просто упоминаний.

История CubeSat начинается по меньшей мере в 1998 году, когда группа специалистов из Калифорнийского Политехнического Университета (California Polytechnic State University, Cal Poly) совместно со специалистами из Стэнфордского Университета (Stanford University) взялись за решение непростой задачи: как дать студентам разнообразных технических ВУЗов возможность создавать и запускать в космос для испытаний свои собственные космические аппараты при отсутствии космического бюджета?

Создать на современной элементарной базе функциональный аналог Спутника-1 весьма просто. Он будет очень маленьким, лёгким и достаточно дешёвым. Но этого мало… Чтобы вывести спутник в космос, его нужно как-то соединить с ракетой-носителем, а затем в нужный момент от неё отделить. Очевидно, что никто не будет запускать ракету-носитель специально ради студенческого спутника, он может быть только дополнением к какому-то тяжёлому «серьёзному» аппарату. А это значит, что система крепления и отделения должна гарантировать безопасность основной нагрузки. Разработка такой системы и, самое главное, прохождение всех этапов тестирования, необходимых для подтверждения её безопасности, является куда как более сложной и дорогостоящей задачей, нежели сделать сам простейший студенческий спутник. За решение этой проблемы и взялись специалисты.

Их идея состояла в следующем: создать стандартизованный контейнер, куда будет загружаться несколько спутников со стандартизованной формой и габаритами. Однажды сертифицировав такой контейнер, его затем можно будет использовать для запуска всё новых и новых спутников без лишних затрат. Безусловно, разработчики спутников будут жёстко ограничены единым стандартом на форму и размеры их аппарата, но внутренняя начинка может быть самой разной, лишь бы безопасной (без пиротехнических устройств, сжатых газов, едких химикатов и т.п.), и взамен ограничений они получают дешёвый запуск аппарата в космос. Так появилась P-POD — Poly Picosatellite Orbital Deployer, система выброса множества пикоспутников.

А вместе с ней и спецификация на сами пикоспутники, названные за кубическую форму CubeSat. Их масса не должна была превышать 1 кг (что и делало их именно «пико»), а размеры — 113,5x100x100 мм, из которых только 100x100x100 мм приходятся на полезный объём.

В один «ствол» P-POD можно загрузить стопку из трёх CubeSat. Разработчики предложили и «двустволку», позволяющую загрузить сразу шесть пикоспутников.

Внимательные читатели наверняка заметили, что фотография P-POD и чертёж CubeSat приведены для 2003 года. Это не просто так. Именно в 2003 году CubeSat и P-POD превратились из просто интересной концепции в реальный международный космический стандарт: разработчикам удалось договориться с предприятием Eurockot Launch Services, и 30 июня 2003 ракета-носитель Рокот, стартовавшая с космодрома Плесецк, запустила на солнечно-синхронную орбиту высотой около 830 км сразу шесть спутников CubeSat:

Очень забавна ситуация с последним спутником: его создали в Стэнфордском Университете, который принимал участие в разработке стандарта CubeSat, запустили в космос с помощью P-POD, но стандарту CubeSat он явно не отвечал… Спутник даже в сложенном состоянии по размерам был как три CubeSat разом, а по массе — как пять! Т.е. уже к первому запуску CubeSat в космос стало ясно, что стандарту есть куда развиваться, что он спокойно может зайти на территорию наноспутников (спутники массой 1-10 кг). Но официально признавать это разработчики стандарта не спешили: в выпущенной в середине 2005-го года девятой редакции «CubeSat Design Specification» всё ещё оставался один единственный возможный форм-фактор и ограничение по массе в 1 кг.

Ситуация не поменялась ни в десятой, ни даже в одиннадцатой версии спецификации, вышедшей в 2008 году! И лишь 2009 году с выходом Revision 12 дело сдвинулось с мёртвой точки: наконец-то официально появился стандарт CubeSat 3U размером 340,5x100x100 мм, где один спутник занимает P-POD целиком и имеет массу до 4 кг. Старый добрый CubeSat теперь именовался CubeSat 1U и имел повышенную до 1,33 кг максимальную допустимую массу.

В 2012 году, в редакции 12.1, появились 1,5U и 2U CubeSat, а также CubeSat 3U+. С первыми двумя, полагаю, всё и так довольно понятно: 170,2x100x100 мм и 2 кг у первого да 227x100x100 мм и 2,66 кг у второго. А вот третий является более интересной штукой…

Посмотрите на фотографию пустого P-POD выше. Чётко виден толкатель с четырьмя квадратными отверстиями (сделанными для снижения массы) и большая пружина под ним. Разработчики в какой-то момент догадались, что немного изменив форму толкателя можно предоставить создателям спутника возможность размещать какие-то части аппарата внутри пружины!

Дополнительный объём, доступный разработчикам космических аппаратов, окрестили «Tuna Can», «банка тунца».

Но предел ли это для размеров CubeSat? Вовсе нет! Давайте ещё раз глянем на рисунок «двуствольного» P-POD: а что если убрать стенку между «стволами»?.. В 2016 году выходит черновик, который затем в 2018-м утверждается как окончательный стандарт: «6U CubeSat Design Specification Revision 1.0«. Спутникам 6U положено иметь размеры 366×226,3×100 мм и массу не более 12 кг. Последняя цифра несколько выше условной границы между нано- и микроспутниками, а потому формат CubeSat стал официально допускать создание и микроспутников тоже.

Впрочем, как это уже было с 3U, официальные спецификации на годы отставали от реальности… Первые CubeSat 6U — это два российских аппарата Perseus-M компании Dauria Aerospace, запущенные 19 июня 2014 года.

Возможно у кого-то возникнет вопрос: а как их удалось запустить? Ведь идея убрать стенку у «двуствольного» P-POD, конечно, хороша, но её нельзя просто так выкрутить у стандартной системы выброса спутников, если она на это изначально не рассчитана. А в 2014-м P-POD на это никак не рассчитывали… Ответ прост: со временем Cal Poly перестали быть единственными изготовителями таких систем. Собственно ещё в самом первом запуске CubeSat, который был в 2003 году, спутник XI-IV был запущен с помощью T-POD (Tokyo-Picosatellite Orbital Deployer). Ну а к 2014-му уже были доступны и такие варианты:

Кстати, в 2014 году вместе с российскими Perseus-M в полёт отправился первый украинский CubeSat — PolyITAN-1, который работал как минимум до 2019 года.

В середине 2020 года появился черновик CubeSat Design Specification Rev. 14, в котором размерный ряд расширен до 12U (226,3×226,3×366 мм), а масса на 1U повышена до 2 кг. Т.е. 3U теперь сможет весить 6 кг, а новый 12U разрешается делать массой аж до 24 кг.

Разумеется, и тут разработчики стандарта на несколько лет отстают: первый CubeSat 12U Китай запустил ещё в середине 2016 года.

Отставание даже больше, чем четыре года, ведь 14-я редакция — это именно черновик, а пока ещё действует CubeSat Design Specification Rev. 13 2014 года.

13-я редакция, кстати, достаточно важна: хоть она и не добавила новых форматов спутников, но наконец-то сняла запрет на использование любых двигательных установок на спутниках CubeSat, который действовал до этого. Впрочем, как не сложно догадаться, и здесь авторы стандарта лишь добавили в него то, что и так де-факто было: первый CubeSat, оснащённый ракетным двигателем (который просто выбрасывал в космос гексафторид серы из баллона), полетел в 2008-м. Им был канадский CanX-2 несуществующего тогда официально формата CubeSat 3U.

К чему же привели все эти десятилетия развития стандарта CubeSat? К вот такому изменению популярности наноспутников:

Многократный рост числа запусков таких аппаратов после появления в 2012-м «прорывной» CubeSat Design Specification Rev. 12.1 очень нагляден.

Созданный изначально сугубо для обучения студентов стандарт в итоге стал пригоден для куда большего. CubeSat постепенно стали серьёзными научными аппаратами, а затем и вовсе вышли в область коммерческой эксплуатации. Наиболее наглядна тут компания Planet Labs, которая в одном только 2020 году изготовила и запустила четыре десятка спутников дистанционного зондирования Земли!

Разумеется, качество данных, собираемых такими мелкими спутниками, радикально хуже, чем у какого-нибудь WorldView-3. Зато их много! Такой толпой они могут ежедневно снимать хоть всю планету, что позволяет предоставлять заказчику самые свежие данные и за весьма умеренную цену.

В отличии от людей, CubeSat не застряли на околоземной орбите, а уверено пошли осваивать Солнечную Систему: два аппарата формата CubeSat 6U, MarCO-A и MarCO-B, в 2018 году пролетели мимо Марса, занимаясь при этом ретрансляцией сигналов аппарата InSight на Землю.

В случае CubeSat великолепно сработала положительная обратная связь: за счёт большой популярности формата появляется всё больше серийных компонентов, предназначенных для самостоятельной сборки из них спутников, а чем больше таких компонентов — тем популярнее этот формат. Вы можете целиком собрать свой собственный уникальный CubeSat из стандартных серийных «кирпичиков»! От задумки до готового спутника может пройти всего несколько месяцев, и стоить это всё будет лишь несколько десятков тысяч долларов, что по космическим меркам смехотворно мало.

Мы фантазировали о космическом будущем, где будут многокилометровые космические корабли, но вполне возможно, что настоящее будущее космонавтики кроется в маленьких кубиках, которые постепенно открывают возможность исследования и освоения космоса буквально для каждого.