Сервис на земле и в космосе: можно ли починить спутник на орбите?

Спутник нельзя остановить, разобрать и собрать заново. После запуска он уходит на орбиту, и дальше всё, что с ним происходит, происходит на расстоянии. Поэтому обслуживание здесь устроено иначе: максимум работы делают до старта, а всё, что происходит после — это попытка удержать систему в рабочем состоянии.У команды лаборатории «Малые космические аппараты» Университета Решетнёва уже есть аппараты на орбите — ReshUCube-1, ReshUCube-2 и MarS-1, следующий проект — миссия из четырёх спутников. Каждый аппарат в лаборатории проходит полный цикл: разработка, сборка, испытания, запуск и сопровождение.
Сборка: обычная электроника в необычных условиях
Минимальный состав команды для сборки аппарата — несколько специалистов: электронщик, программист и конструктор. Также подключаются и другие участники — от механиков до специалистов по сборке.Сама сборка спутника не требует экзотического оборудования. Основа — электроника, с которой работают так же, как и в других инженерных задачах.
Основная часть спутника — это электроника. Схемотехнику мы разрабатываем в лаборатории, печатные платы заказываем на производстве, а монтаж выполняем у себя. Это обычные паяльные станции и стандартное оборудование для работы с электроникой.
Механические элементы — корпуса, крепления, узлы раскрытия — изготавливают на станках с ЧПУ и в мастерских. Вся система собирается как единый аппарат, который должен выдержать запуск и работу на орбите.
Испытания: что должен выдержать спутник?
Один из самых нагруженных этапов — запуск: в этот момент аппарат испытывает удары и сильную вибрацию. Чтобы проверить устойчивость конструкции, его устанавливают на вибростенд.«Запуск — это постоянные ударные нагрузки и вибрация. Причём не кратковременная, а длительная. В этих условиях могут проявиться слабые места: например, элемент может просто оторваться от платы. По статистике, значительная часть неисправностей возникает именно на этом этапе или сразу после него», — объясняет Дмитрий.Чтобы проверить, сможет ли выдержать спутник вибрацию и удары при запуске, его устанавливают на платформу вибростенда и проверяют уже в собранном виде.Платформа воспроизводит движения, близкие к тем, что возникают при запуске: конструкция буквально «ходит» вверх-вниз, имитируя механические нагрузки.После механических испытаний крупные аппараты проверяют в термовакуумной камере. Там моделируют вакуум и перепады температуры, а затем снова включают систему и проверяют, сохранилась ли работоспособность.Кстати, вибростенды и климатические камеры не являются уникальными для космической отрасли. Такое оборудование используют и в других отраслях — например, в автомобилестроении и промышленности, где узлы также работают под нагрузками.Результаты испытаний фиксируют в протоколах — без них аппарат не допустят к запуску. Проверяют не только сам спутник, но и то, что он не разрушится при старте и не повредит носитель.Но даже этого недостаточно, чтобы полностью воспроизвести условия орбиты. Уже в полёте начинают проявляться эффекты, связанные с физикой среды.
В космосе меняются базовые условия работы материалов. На Земле металлические поверхности защищены оксидной плёнкой, а в вакууме её нет, и детали могут “схватываться”, что приводит к заклиниванию узлов. Радиация повреждает микросхемы, а тепловой режим постоянно меняется: аппарат нагревается на солнечной стороне и резко остывает в тени Земли.
Центр управления: работа после запуска
Чаще всего малые спутники запускаются как попутная нагрузка — вместе с основным грузом ракеты. За один запуск на орбиту могут выводиться десятки аппаратов.Есть и другой вариант: часть спутников доставляют на Международную космическую станцию, а затем космонавты выпускают их в космос вручную.Центр управления полётами может находиться прямо в городе. В случае лаборатории Решетнёва антенны размещены на крыше здания университета, а работа с аппаратом ведётся из обычных помещений.Эта работа распределена между разными специалистами. Есть разработчики, которые отвечают за архитектуру системы, операторы, которые работают с аппаратом в реальном времени, инженеры связи и баллистики, рассчитывающие движение спутника.
Обход отказов: как сохраняют работоспособность спутников
Когда спутник уже на орбите, характер обслуживания меняется. Физического ремонта больше нет — остаётся дистанционное управление.Инженеры анализируют поведение системы и пытаются компенсировать отказы за счёт программных решений и изменения логики работы.«Если возникает неисправность, мы можем отключить проблемный узел, скорректировать алгоритмы или загрузить новую прошивку. В ряде случаев можно перераспределить функции между вычислителями и тем самым сохранить работоспособность системы», — объясняет Дмитрий Зуев.В некоторых случаях приходится искать обходные решения.Например, если датчик начинает давать некорректные данные, его не заменяют — используют другие источники информации.«Если датчик теряет точность, мы можем использовать данные других систем и пересчитать параметры. У нас был случай, когда датчик угловой скорости показывал вращение при его отсутствии. Тогда расчёт вели по данным магнитного поля, и аппарат продолжил работу», — объясняет он.Такие решения не восстанавливают систему в исходном виде, но позволяют сохранить её функциональность.При этом есть отказы, которые невозможно компенсировать. Например, критичными являются сбои в системе электропитания или потеря связи без резервного канала. В таких случаях аппарат фактически перестаёт функционировать. 
Как правило, за работоспособность аппарата борются до последнего. Даже при отказе отдельных систем стараются сохранить хотя бы часть функций.
Срок службы зависит от класса аппарата. Малые спутники обычно работают 2–3 года. Более крупные — до 10–15 лет за счёт дублирования систем и более устойчивых компонентов.
Для малых аппаратов мы сознательно идём на снижение избыточности — это позволяет снизить стоимость и быстрее запускать новые миссии. В крупных аппаратах, наоборот, используют специализированные компоненты с защитой от радиации и многократное резервирование, что существенно увеличивает стоимость.
О том, как ремонтируют оборудование на Международной космической станции и как поддерживают точность телескопов в обсерваториях, — в следующих материалах.