ОТЧЕТ о выполнении НИОКР по теме: «Разработка инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов.» (договор №732ГРНТИС5/71081 от 01.12.2021) (заключительный)

КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ, МАЛЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СВЕРХМАЛЫЕ АППАРАТЫ, ПОЛЕЗНАЯ НАГРУЗКА, УЧЕБНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, УЧЕБНО-НАУЧНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, КУБСАТ, CUBESAT, КОНСТРУКТОР, ОБУЧЕНИЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ, STM32, ФЕМТОСПУТНИКИ, КОСМИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, АДАПТЕР МОДУЛЕЙ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ, УЧЕБНО-НАУЧНЫЕ МИССИИ, КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА, ИОНОСФЕРА, БИОКУЛЬТУРА Основной задачей проекта является создание технологии, позволяющей широкому кругу учащихся принимать участие в распределенных космических миссиях и исследовательских проектах в рамках ограниченных ресурсов организаций среднего, среднего профессионального и дополнительного образования, а также дающей дополнительные возможности для реализации студенческих проектов в организациях высшего образования. Объектом разработки является инженерный комплекс для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов, состоящий из: ●Основного малогабаритного модуля полезной нагрузки для космического спутника с возможностью установки на них пользователями дополнительных типовых взаимозаменяемых компонентов, в совокупности реализующих функцию учебно-научной полезной нагрузки (датчиков, капсул); ●Масштабируемого адаптера для космического аппарата, совместимого с несколькими платформами CubeSat, в который можно установить один или несколько таких модулей полезной нагрузки (в зависимости от конфигурации). ●Одной или нескольких версий учебных модулей полезной нагрузки, в том числе с возможность досборки до прототипа независимого полноценного фемтосата (отстыковываемого учебно-научного модуля); ●Учебного лабораторного блока, воссоздающего интерфейсы космического спутника с целью отладки и проведения функциональных испытаний модулей полезной нагрузки. Цель работы — разработка опытного образца инженерного комплекса, позволяющего учащимся реализовывать распределенные исследовательские проекты в космической среде на базе сверхмалых аппаратов формата CubeSat, а также обучаться основам реализации таких проектов на базе учебного заведения. В конечном итоге реализуются следующие функции основного модуля полезной нагрузки: ●возможность осуществления сбора научных данных как минимум одного типа, определяемого текущей конфигурацией измерительной аппаратуры; ●возможность конфигурации основной измерительной аппаратуры с возможностью сборки не менее, чем 3 конфигураций; ●наличие по крайней мере одного интерфейса и способа для подключения плат расширений; ●возможность размещения в адаптере, включая получение от него питания, а также осуществления с ним информационного обмена; ●возможность прохождения виброиспытаний и термобароиспытаний для потенциального использования в качестве полезной нагрузки на космическом спутнике. Основной модуль полезной нагрузки также должен соответствовать следующим количественным параметрам: ●допустимый объем прошивки управляющего микроконтроллера основного модуля полезной нагрузки - не менее 32 Kb; ●ширина шины данных модулей полезной нагрузки в составе комплекса - не менее 16 бит; ●размер основного модуля, предназначенного для эксплуатации в космическом пространстве, без учета возможных расширений, не должен быть более, чем 96 x 96 x 25 мм ●вес основного модуля, предназначенного для эксплуатации в космическом пространстве, без учета возможных расширений, не должен быть более, чем 200 г. Адаптер модулей полезной нагрузки реализуется в формате, допускающим встраивание в спутник формата CubeSat, позволять удобную установку одного или нескольких модулей полезной нагрузки, должен иметь интерфейсы для обеспечения питания, информационного обмена и программирования вставленных в него модулей. Функции адаптера и требования к нему: ●реализация в нескольких различных конфигурациях, определяемых максимальным количеством устанавливаемых модулей полезной нагрузки; ●возможность быть установленным и функционировать в качестве полезной нагрузки как минимум на двух существующих спутниковых платформах; ●обеспечение дистрибуции электропитания от космического спутника до модулей полезной нагрузке по программируемому расписанию; ●обеспечение информационного обмена, а также хранение и передача на спутниковую платформу данных, получаемых от модулей полезной нагрузки; ●возможность обеспечить открытый доступ размещенных в нем модулей к окружающей среде на по крайней мере одной из своих боковых сторон; ●возможность прохождения виброиспытаний и термобароиспытаний для возможного использования в качестве адаптера полезной нагрузки на космическом спутнике. Учебные версии модулей в составе учебного лабораторного комплекса реализуются соответствующими основным модулям в такой степени, чтобы давать учащимся представление об их структуре и принципам сборки. При этом могут допускать отдельные упрощения конструкции и выходы за рамки массогабаритных ограничений. Функции учебных версий модулей полезной нагрузки: ●наличие общих принципов работы и способов программирования с основными модулями полезной нагрузки; ●возможность осуществления сбора научных данных как минимум одного типа, определяемого текущей конфигурацией измерительной аппаратуры; ●возможность размещения в лабораторном блоке, включая получение от него питания, а также осуществления с ним информационного обмена; Учебный лабораторный блок разрабатывается сборно-разборным, соответствовать в достаточной для демонстрационных целей степени формату CubeSat, и иметь слоты для размещения модулей полезной нагрузки. Функции учебного лабораторного блока: ●возможность размещения основных и учебных модулей полезной нагрузки, в т.ч. обеспечения их питанием и осуществления с ними информационного обмена; ●возможность проводить функциональные испытания модуля полезной нагрузки, имитируя служебные системы космического спутника. Научно-техническая новизна проекта заключается в разработке готовых типовых модулей полезной нагрузки с взаимозаменяемыми компонентами, предназначенных для встраивания в спутники формата CubeSat (или самостоятельной доработки учащимися до независимого фемто-спутника), вывод которых на орбиту позволяет создавать действующие группировки аппаратов с единой востребованной научной задачей, в том числе многоточечных измерений. Разрабатываемые в рамках проекта готовые типовые модули полезной нагрузки позволят значительно снизить финансовый и технологический барьер участия детско-взрослых проектных команд в разработке реальных распределенных космических миссий и дадут учащимся возможность полноценно работать над космическими миссиями и летными образцами космических аппаратов. Основные области применения: ●Обучения учащихся, в том числе школьников 8-11 классов, проектированию и проведению научных экспериментов в космосе; ●Проведение инженерных соревнований; ●Разработка проектными командами учащихся полезной нагрузки для аппаратов формата CubeSat на основе разрабатываемых модулей; их участие в существующих и перспективных миссиях. Основные категории потенциальных потребителей: ●Частные и государственные организации дополнительного образования (кружки, в том числе сетевые, детские технопарки, региональные центры по работе с одаренными детьми, центры молодежных инновационных технологий (ЦМИТ-ы) и иные); ●Школы и техникумы; ●Сборные команды учебных миссий с частным или государственным обеспечением; ●Частные лица и преподаватели в РФ и в мире (family education). Целями третьего, заключительного этапа работы являются: ●Доработка компонентов инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве по итогам предварительных испытаний; ●Разработка сценариев применения инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве, включая разработку вспомогательного оборудования и программного обеспечения для прикладных задач; ●Разработка рабочей конструкторской документации опытного образца инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве; ●Изготовление опытного образца инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве; ●Разработка программы, методики и интерфейсов для приемочных испытаний опытного образца инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве, в том числе в формате предоставляемой услуги; ●Проведение приемочных испытаний опытного образца инженерного комплекса для организации учебно- научных экспериментов в космическом пространстве; ●Разработка эксплуатационной документации инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве. Опытно-конструкторские работы включали в себя: 1.Доработку компонентов инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве по итогам предварительных испытаний. 2.Разработку рабочей конструкторской документации опытного образца инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве. 3.Изготовление опытного образца инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве, в том числе - опытных образцов основных модулей полезной нагрузки и адаптера модулей полезной нагрузки, пригодных для проведения средовых испытаний. 4.Проведение приемочных испытаний опытного образца инженерного комплекса. В процессе работы проводились: ●Разработка сценариев применения инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве, включая разработку вспомогательного оборудования и программного обеспечения для прикладных задач; ●Разработка программ и методики приемочных испытаний; ●Разработка концепция организации испытаний в формате предоставляемой заказчикам услуги. На третьем, заключительном этапе по результатам проведенных в рамках второго этапа предварительных испытаний была осуществлена доработка компонентов инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве, в том числе: 1.Доработка основного модуля для учебно-научной миссии по детектированию высокоэнергетических частиц - функциональное тестирование модуля, в ходе которого были реализованы: ○обработка показаний светочувствительных элементов в соответствии с требованиями миссии, ○запись, хранение и передача показаний через адаптер, ○работа в различных режимах засветки. 2.Доработка основного модуля для учебно-научной миссии по исследованию развития биокультуры в космическом пространстве - внесение в конструкцию модуля изменений, обеспечивающих более надежную герметичность внутреннего объема. 3.Доработка адаптера модулей полезной нагрузки: ○разработка уменьшенного форм-фактора адаптера (габариты не более 98 x 98 x 56 мм) для выполнения соответствующего требования технического задания; ○разработка возможности объединения двух и более адаптеров (для создания единого массива с возможностью размещения не менее 24 модулей) для выполнения соответствующего требования технического задания ○доработка платы адаптера до лётного уровня готовности. ○завершение разработки информационного обмена между адаптером УНМ и бортовой информационной шиной (CAN) (см. Протокол информационного обмена – Приложение В1). 4.Доработка учебного модуля для учебно-научной миссии по детектированию высокоэнергетических частиц: для имитации работы с частицами на третьем этапе была разработана дополнительная отладочная плата, содержащая матрицу светодиодов. 5.Доработка учебного модуля для учебно-научной миссии по исследованию развития биокультуры в космическом пространстве: в конструкцию модуля были внесены изменения, обеспечивающие более надежную герметичность внутреннего объема. В связи с полным обеспечением заявленного функционала в ходе второго этапа работы над проектом не проводилась дальнейшая модификация плат основного модуля для произвольной полезной нагрузки с платой расширения и основного модуля для учебно-научной миссии по изучению влияния ионосферы на навигационные сигналы. Выявленные особенности эксплуатации позволили отразить их на третьем этапе в эксплуатационной документации Комплекса. В связи с полным обеспечением заявленного функционала разработанных на предшествующем этапе и произведенных на третьем этапе образцов по итогу проведенных испытаний не потребовалась дальнейшая модификация платы учебного модуля для произвольной полезной нагрузки и учебного модуля для учебно-научной миссии по изучению влияния ионосферы на навигационные сигналы. На третьем, заключительном этапе в рамках разработки сценариев применения инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве, включая разработку вспомогательного оборудования и программного обеспечения для прикладных задач, была разработана концепция применения инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов. Разработанные сценарии применения комплекса предполагают проведение, в том числе, функциональных испытаний компонентов комплекса участниками учебно-научных проектов, по аналогии с испытаниями, разработанными и произведенными на третьем этапе работ. В рамках третьего этапа была разработана рабочая конструкторская документация опытного образца инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве. Разработка инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов осуществлялась использованием систем автоматизированного проектирования (САПР), таких как ПО Altium Designer, KiCAD и SolidWorks. По завершению финального этапа разработки был произведен опытный образец инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве, состоящий из 4 образцов основного модуля полезной нагрузки, адаптера для размещения модулей полезной нагрузки, 4 образцов учебного модуля полезной нагрузки и учебного лабораторного блока. Основные модули полезной нагрузки и адаптер для их размещения при сборке составляют летную конфигурацию инженерного комплекса, учебные модули полезной нагрузки и учебный лабораторный блок в сборке составляют учебно-лабораторную конфигурацию. Для прохождения опытными образцами приемочных испытаний были разработаны: ●Программы, методики и интерфейсы для приемочных испытаний опытного образца летной конфигурации инженерного комплекса; ●Программы, методики и интерфейсы для приемочных испытаний опытного образца учебно-лабораторной конфигурации инженерного комплекса; Также была разработана концепция организации испытаний в формате предоставляемой заказчикам услуги. Произведенные опытные образцы прошли приемочные испытания, включающие проведение: ●Примерочной установки на различных спутниковых платформах: платформе Сколковского Института Науки и Технологий (Сколтеха), конструктивно совместимой с популярной платформой Орбикрафт.Про компании Спутникс, и на платформе Юго-западного Государственного Университета.. ●Функциональных испытаний летной и учебно-лабораторной конфигураций комплекса. ●Вибромеханических испытаний летной конфигурации, состоящей из адаптера для космического аппарата и установленных в нем основных модулей полезной нагрузки. ●Термовакуумных испытаних летной конфигурации, состоящей из адаптера для космического аппарата и установленных в нем основных модулей полезной нагрузки. Также в ходе работ третьего, заключительного этапа была разработана эксплуатационная документация инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве. Разработка включала в себя: 1.доработку методического пособия с расширением его области применения; 2.разработку Инструкции по эксплуатации инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов (летная конфигурация); 3.разработку Инструкции по эксплуатации инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов (учебно-лабораторная конфигурация); 4.разработку Паспорта инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов. Все цели завершающего этапа работ были выполнены. Таким образом, по результатам трех этапов работ был разработан и протестирован инженерный комплекс для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов, соответствующий количественным, качественным и функциональным характеристикам, а также конструктивным требованиям согласно техническому заданию на выполнение НИОКР по теме: “Разработка инженерного комплекса для организации учебно-научных экспериментов в космическом пространстве на базе сверхмалых аппаратов” по договору (соглашению) №732ГРНТИС5/71081 от 01 декабря 2021 года.