Вместе с Akatsuki к Венере отправился еще более своеобразный межпланетный зонд - первый в истории космонавтики успешный аппарат с солнечным парусом. Он называется IKAROS, что расшифровывается как Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun - межпланетный воздушный змей, ускоряемый за счет солнечного излучения.
    IKAROS был официально включен в состав полезного груза H-IIA в декабре 2009 г. как эксперимент, направленный на проверку технологии перемещения с помощью солнечного паруса и испытание тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей: развертываемое в космосе полотнище используется не только для создания тяги, но и для генерации энергии.
    Принцип действия солнечного паруса состоит в использовании давления солнечного света на его поверхность. Сила давления направлена перпендикулярно плоскости паруса и - в зависимости от его текущей ориентации - увеличивает или уменьшает орбитальную скорость КА.
    При старте IKAROS, представляющий собой в сложенном состоянии плоский цилиндр диаметром 1.6 м и высотой 0.8 м, размещается внутри адаптера, под зондом Akatsuki. Сухая масса КА IKAROS - 290 кг, из которых 13 кг приходится собственно на парус и 2 кг - на четыре концевых груза, а полная - 310 кг.

Солнечная парус IKAROS

    Верхняя сторона центрального блока ('барабана') КА покрыта традиционными СБ, которые служат основным источником энергии для бортовой аппаратуры, а на боковой стороне барабана размещен сложенный парус и система его раскрытия. Для стабилизации и последующего развертывания паруса аппарат закручивается после отделения от последней ступени РН.
    Центральный блок имеет в своем составе штатный блок управления ориентацией с исполнительными элементами в виде газожидкостных равновесных сопел, радиокомплекс для связи с Землей и другие подсистемы, характерные для 'нормальных' КА. IKAROS также оснащен датчиками, измеряющими электрический заряд паруса и его температуру.
    Мембрана паруса изготовлена из полиамидной пленки толщиной 7.5 мкм с алюминиевым напылением. Четыре трапецеидальных лепестка образуют полотнище квадратной формы с диагональю 20 м, при этом масса мембраны составляет всего 1.8 кг.
    На каждом из лепестков приклеены две полосы из элементов тонкопленочных СБ, сделанных из аморфного кремния толщиной 25 мкм (т.о., даже в местах максимальной толщины - 32.5 мкм - парус вдвое тоньше человеческого волоса). Эти СБ являются гибкой многослойной конструкцией. Они занимают всего 5% площади паруса, но способны вырабатывать мощность до 500 Вт.
    Перед началом развертывания газовые сопла снижают скорость вращения КА с 5 до 2 об/мин - и одновременно освобождаются четыре концевых груза. Затем в два этапа осуществляется раскрытие паруса.
    На первом этапе скорость вращения увеличивают до 25 об/мин, снимают стопоры, и под действием центробежной силы грузики на концах каждого из лепестков начинают их растягивать, придавая аппарату вид креста. По мере удаления грузиков от оси вращения момент инерции растет, а угловая скорость снижается до 5-6 об/мин.

Солнечная парус IKAROS

    На втором этапе стопоры убираются окончательно, и с 'барабана' разматывается основное полотно пленки, которое под действием центробежной силы принимает форму квадрата. В рабочем положении 'Икар' совершает всего лишь 1-2 об/мин.
    На выполнение этого плана ушло две недели. Четыре концевых груза были освобождены 27 мая. К1 июня скорость вращения была постепенно увеличена до 25 об/мин. Первый этап раскрытия начался 3-4 июня, когда удаление грузов от оси вращения довели до 5.3 м.
    Специалисты наблюдали процесс развертывания с помощью четырех видеокамер, установленных на аппарате; заметив, что реальная динамика отличается от расчетной, приостановили его на несколько дней. Первый этап был закончен 8 июня, а второй успешно завершился 10 июня на расстоянии 7.7 млн км от Земли, причем развернутый парус был сфотографирован в направлении, перпендикулярном его плоскости, с помощью отделенного специально для этого субспутника DCAM2 с видеокамерой! Таким образом, как с гордостью отмечает JAXA, IKAR0S стал первым в мире межпланетным КА с настоящим солнечным парусом *.
    Планируется, что активная часть миссии аппарата должна уложиться в полгода. За это время будут опробованы СБ, управление парусом и возможность маневрирования с его помощью. По расчету, парус обеспечивает тягу всего в 2-4 мН и за время основной миссии сумеет изменить скорость КА не более чем на 100-200 м/с.
    12 декабря IKAR0S достигнет окрестностей Венеры, но, в отличие от Akatsuki, пролетит мимо и продолжит работу на межпланетной траектории до исчерпания технического ресурса. По оценкам специалистов JAXA, контакт с ним может поддерживаться в течение года. В дополнение к основной задаче в ходе полета планируется целый ряд экспериментов и исследований.
    В технической области будут испытаны блок управления и экспериментальные исполнительные устройства для ориентации паруса. Они представляют собой полоски с жидкокристаллическими пленками, наклеенные на четыре 'трапеции' паруса вдоль сторон квадрата. Эти полоски меняют отражательные характеристики при подаче напряжения, благодаря чему создается небольшой перекос тяги.
    Для высокоточного определения параметров гелиоцентрической орбиты КА, изменяющихся под действием солнечной тяги, будут проводиться измерения в режиме интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI).

ОСНОВНЫЕ И ПОПУТНЫЕ АППАРАТЫ

    Кроме того, IKAR0S несет два научных прибора. Один из них размещается в 'барабане' - это поляриметрический детектор гамма-всплесков GAP, созданный в Университете Ка-надзава. А на лепестках 'паруса' размещены датчики детектора пылевых частиц ALDN, который будет исследовать распределение пыли в межпланетном пространстве.
    На концевых грузах находятся алюминиевые пластины, на которых выгравированы имена 63 248 японцев, а также DVD с именами 89000 представителей других стран, которые прислали их в ответ на совместный призыв JAXA и Планетарного общества США.
    IKAROS разрабатывался 2.5 года, не включая время проведения предварительных экспериментов (НК ?10, 2006). На проект израсходовано до 16 млн $, но японские ученые не жалеют о потраченных деньгах. 'Технология солнечного паруса реализует космические путешествия без затрат топлива на такие расстояния, где сохраняет эффективность солнечное излучение. Наличие электроэнергии позволит нам перемещаться в Солнечной системе дальше и более эффективно... Таким образом мы сможем снизить стоимость запуска, потому что не будем нуждаться в мощных ракетах-носителях', - считает доктор Юити Цуда (Yuichi Tsuda), научный специалист JAXA.
    На основе приобретенного опыта японское агентство планирует организовать в середине 2010-х годов большую миссию с солнечным парусом к Юпитеру и его астерои-дам-троянцам. Новый аппарат будет гибридным: кроме 50-метрового паруса, его предполагается оснастить ионным двигателем, получающим электроэнергию от тонкопленочных СБ. Аппарат сможет достичь Юпитера после 2.5 лет пути.
    'Соединенные Штаты уже запустили несколько космических зондов к Юпитеру [и] Сатурну, но все эти корабли используют радиоизотопные тепловые генераторы для выработки электроэнергии. Мы хотим реализовать альтернативный способ для достижения внешних планет и продвигаем технологию, использующую только энергию Солнца...' -пояснил господин Цуда.

ДРУГИЕ ПОПУТЧИКИ МИССИИ

    В качестве попутной нагрузки на адаптере ПГ располагались 'студенческий' межпланетный зонд UNITEC-1 и три наноспутника класса 'кубсат', также созданные студентами японских университетов: Waseda-Sat-2, KSAT и Negaift. Тремя 'кубсатами' был заряжен диспенсер J-POD (JAXA Picosatellite Deployer): эти крошки-спутники отделились от последней ступени после первого выключения ее двигателя. Аппарат UNITEC-1 отделился от ступени уже на межпланетной траектории.
    JAXA намерено расширять разработки и использование малых спутников в области исследования космического пространства, привлекая для этого частные компании и университеты. Агентство придает значение вовлечению студентов в процесс создания КА, надеясь решить несколько задач.
    Во-первых, такая деятельность служит подготовке будущих кадров ракетно-космической отрасли. В частности, проект KSAT был отобран в немалой степени для привлечения интереса (а значит и людских ресурсов) к космической деятельности префектуры Кагосима, где расположен космодром Танэгасима.
    Во-вторых малые студенческие спутники позволяют при небольших затратах изучить, отработать и верифицировать в условиях орбитального полета технологии, решения и конкретные устройства, созданные частными компаниями и университетами.
    Согласно запросу JAXA, от организации - кандидата на участие в микроспутниковых миссиях требовались:
    - способность проектировать, производить, испытывать и эксплуатировать КА, принимая надлежащие меры для решения проблем и выполнения миссии;
    - наличие возможности координации решения технических проблем с JAXA;
    - возможность нести 'финансовое бремя' своей собственной деятельности, в том числе производственные затраты и расходы на некоторые испытания по запросу агентства.
    Кроме того, КА должны принадлежать японским учреждениям, организациям или промышленным группам. Спутники, основной целью которых является реклама заявителя, не подлежат сертификации на участие в миссиях JAXA.
    Первая студенческая АМС UNITEC-1 (UNISEC Technology Experiment Carrier-1, буквально 'Носитель технологических экспериментов, разработанных UNISEC') является первым в мире студенческим межпланетным зондом категории 'микро'. Достаточно простой (по нынешним меркам) аппарат, не оснащенный системой ориентации, предназначен для оценки нескольких вариантов бортовых компьютеров университетской разработки, а также для экспериментов по получению и декодированию радиосигналов из дальнего космоса.
    Аппарат создан межуниверситетским консорциумом 'Объединение университетов космической техники' UNISEC (University Space Engineering Consortium)**. Шесть экспериментальных бортовых компьютеров были созданы Университетом Кейо, Технологическим институтом Хоккайдо, Университетом электросвязи, Токийским научным университетом, Университетом Тохоку и Технологическим университетом Коити***. Над проектом также работали технологические институты Кюсю и Аити, университеты Токио и Хоккайдо, Кюсю и Кагосима, Тохоку и Сока, Акита и Кавагама, колледжи Tokyo Metropolitan и Цуямя, Университет и колледж префектуры Осака.
    Вся программа UNITEC-1 была построена как большая сетевая студенческая НИОКР. На этапе разработки проекта были заданы сроки - с августа 2008 г. по январь 2010 г. - и жестко ограничен бюджет проекта. С технической стороны требовалось, чтобы наземные средства связи базировались на простой и недорогой радиоаппаратуре. Безопасность и простота зонда также рассматривались как первоочередная задача. Вследствие указанных ограничений положение КА в пространстве не предполагалось ни определять, ни контролировать.

* Ранее ряд государств, в том числе Япония, США и Россия, проводили ограниченные по масштабам эксперименты с солнечными парусами и пленочными отражателями, но в суборбитальных полетах и в пределах околоземной орбиты.     ** Некоммерческая организация, в которую входят 22 японских университета и колледжа. Поддерживает инженерно-космическую деятельность в образовательных программах.     *** Победителем будет признана команда, чей микропроцессор дольше других проживет во время космического полета.

    UNITEC-1 имеет форму куба стороной 35 см при массе около 21 кг. Конструкция состоит из нескольких панелей. Все оборудование подсистем прикреплено к основной вертикальной панели корпуса и двум горизонтальным (верхней и нижней). Четыре внешние панели (на которых установлены элементы СБ) оборудования не несут.
    В качестве целевой нагрузки на борту зонда размещены шесть экспериментальных компьютеров, счетчик радиации и радиосистема. Тестирование компьютеров предполагалось проводить поочередно, по 5 мин на каждый блок, каждые два часа. В тест включили несколько типичных для бортового компьютера функций: получение информации от датчиков, проверка кода с обнаружением ошибок, анализ поступающих данных и вывод результатов расчета. Счетчик радиации - единственный научный инструмент на борту КА для измерения входящего излучения в восьми каналах энергии.
    Подсистема электроснабжения мощностью около 25 Вт состоит из СБ (полупроводниковые элементы с тройным переходом) и никель-металлогибридных буферных аккумуляторов.
    При создании подсистемы обеспечения теплового режима было принято, что во время межпланетного полета UNITEC-1 произвольно вращается и его нагрев от Солнца равномерен. Охлаждение аппарата - пассивное радиационное, при этом допустимая температура внутри корпуса составляет около 60њС. В состав подсистемы также входит нагреватель.
    Подсистема управления и обработки данных включает радиационно-стойкий процессор, который служит главным бортовым компьютером МОВС (Main On-board Computer) и 'руководит испытаниями' опытных компьютеров. Информационный интерфейс построен по стандарту RS-422. Вся работа КА контролируется МОВС без команд с Земли. Таймер МОВС должен быть работоспособен в течение всего полета (около 200 суток). При перезагрузке главного компьютера данные таймера должны храниться в бортовых запоминающих устройствах.
    Информация о состоянии экспериментальных устройств, данные счетчика радиации и телеметрия сбрасываются с борта КА через низкоскоростную (1200 бит/с) линию связи радиолюбительского диапазона(1) 5.8 ГГц с помощью передатчика мощностью 9.6 Вт через четыре малонаправленные антенны. Для приема информации на дальней дистанции должны были использоваться японские антенны диаметром до 34 м.
    Вообще радиосвязь была одним из самых сложных вопросов миссии из-за ограничений по антенне наземной станции и отсутствия контроля положения UNITEC-1. Линию 'Земля-борт' предполагалось задействовать только в случае необходимости прекращения передачи 'борт-Земля'.
    Сигналы со студенческой АМС принимались на частоте 5840 МГц в день запуска, с 16:15 до 01:15 JST, но, к сожалению, после этого контакт был потерян.

ПРИКОСНИСЬ К ЗВЕЗДЕ!

    Спутник Negai, или Negai-Star (можно перевести как 'желание приблизиться к звездам'), построен студентами Университета Сока как демонстратор технологий. Основная задача спутника - проверка работоспособности программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) в условиях космического полета. ПЛИС представляет собой электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика его работы не определяется при изготовлении, а задается посредством программирования(2).
    Negai имеет форму куба со стороной 10 см и массу около 1 кг. Радиопередатчик спутника работает на частоте 437.305 МГц. Данные, включая изображения Земли с бортовой камеры, передаются пакетами со скоростью 1200 бит/с. Negai штатно отработал на орбите. В рамках информационно-пропагандистской программы он нес таблички с именами специально отобранных детей и их пожеланиями.

ШТРИХ-КОД С ОРБИТЫ

    Спутник Waseda-Sat-2, разработанный и созданный лабораториями Миясита и Ямакава Университета Васэда, предназначен для эксперимента по технологиям передачи данных с использованием QR-кода(3), а также исследования аэродинамической стабилизации КА.
    Спутник должен был передавать QR-кoды на Землю, где они могли размещаться в общественных местах, например на досках объявлений или в расписаниях движения транспорта. Любой QR-код может быть легко считан современным сотовым телефоном и преобразован, например, в текст, картинку или интернет-ссылку.
    Аппарат выполнен в форме куба стороной 10 см и имеет массу 1.2 кг. Эксперимент по аэродинамической стабилизации осуществляется путем отклонения четырех панелей, закрепленных на боковых гранях 'кубсата' и несущих фотоэлементы системы электропитания. Для оценки стабилизации внутри спутника стоит датчик ускорения.
    К сожалению, сигналы с Waseda-Sat-2 не были получены. 21 июня аппарат сошел с орбиты в результате естественного торможения.

МЕТЕО 'КУБСАТ' KSAT

    Аппарат KSAT, созданный в Университете Кагосимы при участии Комитета по разработке спутников в Кагосиме (Kagoshima satellites Development Committee)(4), в первую очередь предназначен для наблюдения за водяным паром в атмосфере Земли с целью прогнозирования дождей. Вторая цель миссии - эксперименты по высокоскоростной передаче изображении.
    Как и два его собрата, KSAT является классическим 'кубсатом' массой 1.5 кг и стороной ребра 10 см, однако он наиболее сложный из трех.

1 UNISEC пригласил всемирное сообщество любительской радиосвязи поддержать проект для отслеживания и получения телеметрии с UNITEC-1.     2 Для программирования используются программаторы и отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках описания аппаратуры: Verilog, VHDL, AHDL и др.     3 Разновидность двумерного штрихового кода, имеющего вид матрицы. Основное достоинство - легкое распознавание сканирующим оборудованием.     4 Выл учрежден в августе 2005 г. в качестве группы взаимодействия отраслевых научных школ Кагосимы для поддержки деятельности местных сообществ.

    На одной из граней КА установлена плоская выдвижная антенна размером 30x30 см. Аппарат принимает команды Земли в диапазоне S (2.2 ГГц, 10 кбит/с) и передает информацию в диапазоне Ки на 13275 МГц со скоростью от 10 кбит/с до 1 Мбит/с. Передатчик выходной мощностью 0.2 Вт имеет размеры 70x60x30 мм и массу всего 120 г.
    На двух других плоскостях спутника установлены СБ. Наконец, на четвертой грани стоит камера, работающая в ближнем ИК-диапазоне и предназначенная для получения изображений земной поверхности, а также антенна GPS-приемника для привязки снимков камеры. Связь с KSAT не была установлена сразу после запуска, однако профессору Нисио Масанори и его сотрудникам удалось сделать это 1 июня.