07.12.2021

Epsilon-5: девять экспериментальных аппаратов на орбите

9 ноября в 09:55:16 JST (00:55:16 UTC) с пусковой площадки M-V Центра «Мю» (Mu) Космического центра Утиноура (префектура Кагосима) специалисты Японского агентства аэрокосмических исследований JAXA осуществили пуск легкой трехступенчатой твердотопливной ракеты-носителя Epsilon-5 со вторым малогабаритным спутником-демонстратором RAISE-2 (RApid Innovative payload demonstration SatellitE-2, 革新的衛星技術実証2号機), четырьмя микроспутниками HIBARI, Z-SAT, DRUMS, TeikyoSat-4 и столькими же кубсатами – ASTERISC, ARICA, NanoDragon и KOSEN-1.

Старт пятого «Эпсилона»

Основная полезная нагрузка RAISE-2 отделилась на 52 мин и 35 с полета, а затем, начиная с 66:29 и до 71:37 произошло отделение микроспутников и кубсатов в следующем порядке: TeikyoSat-4, ASTERISC, Z-Sat, DRUMS, HIBARI, KOSEN-1 и ARICA, NanoDragon. В каталоге Стратегического командования США RAISE-2 получил номер 49397 и международное обозначение 2021-102С (по остальным см. таблицу ниже).
Таблица 1. Номера и международные обозначения попутной полезной нагрузки (в порядке отделения)

Наименование	Номер	Международное обозначение
TeikyoSat-4	49396	2021-102В
ASTERISC	49395	2021-102А
Z-Sat	49399	2021-102Е
DRUMS	49401	2021-102G
HIBARI	49400	2021-102F
KOSEN-1 и ARICA (имели общий диспенсер)	49402	2021-102H
NanoDragon	49398	2021-102D

Epsilon-5

Трехступенчатая твердотопливная ракета Epsilon создана на основе задела по работам над японскими ракетами M-V и H-IIA. «Эпсилон» -- это японская одноразовая ракета легкого класса для выведения в космос небольших полезных грузов по доступной цене (так официально заявлялось).

Epsilon может летать как в трехступенчатой, так и в четырехступенчатой конфигурации -- с устанавливаемой поверх третьей ступени доводочной ступенью PBS (post-boost stage), также известной как компактная жидкостная ступень довыведения CLPS (Compact Liquid Propulsion Stage), которая позволяет увеличить грузоподъемность и уменьшить ошибки при выведении КА на солнечно-синхронные орбиты.

Данный пуск -- пятый в истории эксплуатации Epsilon. Первый испытательный состоялся 14 сентября 2013 г. (носитель доставил на орбиту космическую обсерваторию SPRINT-A/HISAKI для осуществления наблюдений планет Солнечной системы), второй (усиленная версия ракеты) – 20 декабря 2016 г. (спутник ERG по исследованию энергичных заряженных частиц в околоземном пространстве), третий (доработанная усиленная версия) – 18 января 2018 г. (малогабаритный радиолокационный спутник с высокой разрешающей способностью ASNARO-2), четвертый (доработанная усиленная) – 18 января 2019 г. (первый малогабаритный спутник-демонстратор RAPIS-1, три микроспутника MicroDragon, RISESAT и ALE-1 и три кубсата OrigamiSat-1, Aoba VELOX-IV и NEXUS).

В данном, пятом пуске «Эпсилон» поставил рекорд по количеству выведенных спутников за раз – девять аппаратов.

Epsilon-5 – доработанная усиленная версия носителя, и это её 4-й старт, а также 3-й пуск с доводочной ступенью PBS. Также на Epsilon-5 есть устройство для крепления спутников на ракете ESMS и механизм для мягкого отделения кубсатов E-SSOD.

Полная длина Epsilon-5 составляет 26 м, диаметр – 2.6 м, стартовая масса (без полезной нагрузки) – 95.7 т. При выведении использовалась инерциальная схема выведения.

Таблица 2. Характеристики ступеней Epsilon-5

Параметр	Двигатель первой ступени SRB-A3	Двигатель второй ступени M-35	Двигатель третьей ступени KM-V2c	PBS	Обтекатель
Особенности (касаются всех летавших Epsilon)	Модернизация твердотопливного ускорителя H-IIA	Сделан «с нуля»	Улучшение 4-й ступени 5-й ракеты M-V, запустившей первую «Хаябусу» в 2003 г.	Упрятан под обтекатель	--
Полная длина, м	11.7	4.3	2.3	1.2	11.1
Диаметр, м	2.6	2.6	1.4	1.5	2.6
Масса, т	75.0	17.0	3.3	0.1	1.0
Масса топлива, т	66.3	15.0	2.5	0.1	--
Тяга, кН	2271	372	99.8	0.4	--
Время работы, сек	116	140	90	1100	--
Вид топлива	Композитное	Композитное	Композитное	Гидразин
Способ распределения топлива	Твердое топливо	Твердое топливо	Твердое топливо	Выравнивание давления	--
Удельный импульс, сек	284	300	301	215	--

На первой ступени «Эпсилона» установлен твердотопливный ракетный двигатель SRB-A3, появившийся после модернизации SRB – ускорителя H-IIA. Вторая ступень M-35 – это совершенно новая разработка, а третья ступень KM-V2c основана на четвертой ступени ракеты M-V-5, которая 9 мая 2003 г. вывела на отлетную траекторию межпланетный аппарат «Хаябуса».

20 августа JAXA сообщило о проведении 1 октября старта Epsilon-5 (резервным пусковым периодом значилось 2 октября--30 ноября), однако в назначенный день на 19-й секунде обратного отсчета специалиста отменили пуск из-за возникшей необходимости дополнительной проверки наземного оборудования.

4 октября JAXA заверило, что конкретные проблемы выявлены, устранены, и что Epsilon-5 стартует 7 октября, однако из-за большой скорости ветра в атмосфере и отсутствия на ближайшие дни благоприятного прогноза погоды, а также ввиду задействования JAXA при стартах Epsilon и H-IIA неких общих элементов наземного оборудования, было принято решение осуществить пуск уже после H-IIA № 44 (который впоследствии был осуществлен 26 октября, https://novosti-kosmonavtiki.ru/articles/82044.html).

28 октября пуск утвердили на 7 ноября, но затем вновь из-за капризницы-погоды его пришлось переносить на 9 число.

Демонстратор технологий RAISE-2

Прежде всего надо бы уточнить, что пуск состоялся в рамках программы JAXA – Innovative satellite technology demonstration program (JAXA革新的衛星技術実証プログラム). Сокращенное от японского название: Kakushin (革新, «Реформа», «Преобразование», «Новация»). По этому же слову можно найти страницу программы в твиттере (https://twitter.com/KAKUSHIN_JAXA).

Логотип программы

Причем, это уже вторая демонстрация в космосе новаторских технологий. Первым спутником стал RAPIS-1 (RAPid Innovative payload demonstration Satellite 1), запущенный 18 января 2019 г. на Epsilon-4 и имевший на борту семь единиц экспериментальной аппаратуры. Между прочим, орбитальная демонстрация новых технологий на RAPIS-1 превысила плановый годовой период и прекратилась только 24 июня 2020 г., когда японские инженеры в одностороннем порядке отключили связь с аппаратом. JAXA также объявило и о полном успехе космической проверки всех технических новшеств на RAPIS-1.

Плавненько переходим к RAISE-2 (RApid Innovative payload demonstration SatellitE-2). Легко заметить, что полное название спутника тождественно первому аппарату, однако японцы выбрали немного другие буквы для создания аббревиатуры и получился уже не RAPIS, а RAISE. Точной информации мы не обладаем, однако, можно предположить (а это не воспрещается), что сокращение названия первого демонстратора отсылает нас к пальме рапис (Rhapis)--представителю азиатской флоры, встречающегося в частности в Японии и Китае. Ну а RAISE переводится с английского как «подъем».

RAISE-2 – основная полезная нагрузка Epsilon-5 – это второй малогабаритный спутник-демонстратор JAXA. На околоземной орбите пройдут проверку шесть размещенных на нем новшеств, которые отобрали из списка предложений от образовательных учреждений и компаний. Управление спутником будет осуществляться в соответствии с планом заказчиков по отработке технологий в космосе, а полученные данные будут им впоследствии переданы.

Логотип второй демонстрационной миссии

RAISE-2 массой около 110 кг имеет кубовидную форму с размерами 1 м вдоль двух осей и 0.75 м вдоль третьей. Солнечные батареи питают аппарат электроэнергией, и будут вырабатывать около 215 ватт на начальной стадии миссии. Спутник построен компанией Mitsubishi Electric Corporation (三菱電機) с расчетом на годовую эксплуатацию.

Эксперименты на RAISE-2

Эксперимент SPR (компании Sony Semiconductor Solutions Corporation) основан на стандартной компактной компьютерной плате SPRSENSE (компании Sony) с низким энергопотреблением, предназначенной для устройств Интернета вещей (Internet of Things/IoT). После проверки функционирования платы в условиях космоса в будущем возможно ее использование для автоматического позиционирования и управления спутниками.

In-orbit Demonstration of Closed-Loop Fiber Optic Gyro (I-FOG), был предложен компанией Tamagawa Seiki. В рамках эксперимента будет тестироваться оптоволоконный гироскоп (а не обычный механический), который заёмется поиском интерференции в свете, проходящем через оптоволоконную катушку – с целью выявления изменений в ориентации спутника. Предполагается, что I-FOG проложит путь для будущих недорогих и высокоточных инерциальных систем контроля ориентации.

Схожим образом в ходе эксперимента ASC корпорации Amanogi пройдет космическую проверку миниатюрный звёздный датчик, спроектированный для массового производства (для определения ориентации кубсатов).

В эксперименте 3D-ANT компании Mitsubishi Electric будет испытана лёгкая и недорогая, причем напечатанная на 3D-принтере, металлическая антенна, которую будут использовать для телеметрии и передачи команд на спутник.

ATCD, разработанный Университетом Тохоку (Tohoku University), – это устройство терморегулирования без силовой установки, предназначенное для регулирования температуры спутников в экстремальных условиях космического вакуума.

Наконец, инерциальный измерительный блок MARIN разработки JAXA представляет собой лёгкую и недорогую систему для отслеживания положения, ориентации и движения спутника с использованием микроэлектромеханических систем (microelectromechanical systems/MEMS).

Таблица 3. Масса и размеры технических новинок на RAISE-2

Новшества	Масса	Габариты
SPR (состоит из четырех элементов)	1.2 кг	100x100x33 мм 100x100x33 мм 157x157x21.5 мм 800 мм
I-FOG	0.9 кг	97x97x80 мм
ASC	1.3 кг	250x160x75 мм
3D-ANT	0.58 кг	φ 100x180 мм
ATCD	3.5 кг	190x289x335 мм (в развернутом виде)
MARIN	1.3 кг	154x107x83 мм

Таблица 4. Некоторые характеристики RAISE-2

Тип орбиты	Солнечно-синхронная
Параметры орбиты	Наклонение 97.6°, высота 560 км
Проектный срок эксплуатации	Один год
Масса на старте	~110 кг (аппаратура на платформе весит 85 кг)
Габариты	75x100x100 см

Кстати говоря, 22 ноября JAXA сообщило, что на основе получаемой от RAISE-2 телеметрии можно сделать вывод – солнечные панели и системы связи работают должным образом, соответственно, критическая фаза управления спутником (от запуска на ракете до окончания проверки работы систем питания и связи после отделения) завершена. Теперь японцы приступают к первой фазе эксплуатации, в рамках которой будет проверяться функциональное состояние всей бортовой аппаратуры RAISE-2. Работы займут около месяца.

Японские и вьетнамский

Вместе с RAISE-2 на околоземную орбиту было выведено восемь малых аппаратов – четыре микроспутника и четыре кубсата, которые отделили от разгонного блока после развёртывания основной полезной нагрузки.

Самый крупный из микроспутников – «Новый микроспутник для удаления мусора» (Debris Removal Unprecedented Micro Satellite/DRUMS, デブリ捕獲システム超小型実証衛星), 62-килограммовый аппарат, на котором будет испытана технология захвата фрагментов мусора и их удаления из космической среды. Разработка компании Kawasaki Heavy Industries (川崎重工業).

DRUMS развернёт небольшой субспутник-мишень, от которого он удалится, а затем вернётся для сближения, используя при этом автоматические системы визуальной навигации. После маневрирования на расстоянии 2 метров от субспутника DRUMS развернёт штангу, чтобы дотянуться и коснуться мишени, и таким образом протестирует предшественник механизма на последующем спутнике, который будет способен уже производить захват фрагментов мусора.

TeikyoSat-4 (多目的宇宙環境利用実験衛星) – это 52-килограммовый многоцелевой научный спутник, созданный в частном токийском Университете Тэйкё (帝京大学). В первую очередь он предназначен для проверки собственных систем в качестве платформы для размещения научных спутников и проведения экспериментов по высокочастотной связи. С его помощью на орбите пройдёт эксперимент по разведению слизевиков (Dictyostelium discoideum) – от спутника требуется «наблюдать» за процессом и скидывать данные на Землю.

На 55-килограммовом спутнике HIBARI (ひばり, 可変形状姿勢制御実証衛星) Токийского технологического института (東京工業大学) будет испытана система ориентации с изменяющейся формой (variable-shape attitude control/VASC). Она основана на реактивном моменте, возникающем при вращении четырёх лепестков солнечной батареи спутника. Ожидается, что это позволит переориентировать HIBARI быстрее, чем это возможно сделать при помощи маховиков или гироскопов, и сохранить при этом высокий уровень точности.

Цель миссии – продемонстрировать возможность разворота спутника на 40° за 20 с, хотя более амбициозные расширенные цели предусматривают проведение манёвра на 40° за 10 с. Бортовые камеры будут использоваться для проверки развертывания и движения лопастей, а также стабильности спутника путем наблюдения за звёздами.

Чтобы воспользоваться этой возможностью, у HIBARI есть второстепенная задача – внести вклад в исследование гравитационных волн. Когда наземная обсерватория обнаружит потенциальный источник гравитационных волн, через сеть спутников связи на HIBARI будет передан сигнал тревоги. Космический аппарат должен сориентироваться на источник и сделать его снимок с помощью ультрафиолетовой камеры.

На спутнике Z-SAT (複数波長赤外線観測超小型衛星) компании Mitsubishi Heavy Industries установлена экспериментальная инфракрасная система формирования изображений, которая должна помочь обнаружить источники тепла на поверхности планеты. На 46-килограммовом спутнике установлены камеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, которые будут вести наблюдения на нескольких длинах волн. Затем данные объединят для создания более полной картины распределения температур. Z-SAT – предшественник планируемой группировки спутников, который в будущем обеспечат непрерывный тепловой мониторинг Земли.

Другая четвёрка – это кубсаты, созданные в соответствии со стандартным форм-фактором, используемым для очень малых спутников. ASTERISC (宇宙塵探査実証衛星), созданный Исследовательским центром изучения планет при Технологическом институте Тибы (千葉工業大学), представляет собой 3U-кубсат, который будет использоваться для изучения мусора и частиц космической пыли на низкой околоземной орбите. ASTERISC задействует пьезоэлектрические датчики для обнаружения частиц пыли при их столкновении с тонким листом пленки, отделенной со спутника.

KOSEN-1 (木星電波観測技術実証衛星) – 2U-кубсат, построенный Национальным технологическим колледжем Коти (高知工業高等専門学校). На орбите он развернет семиметровую антенну, предназначенную для детектирования радиоволн, излучаемых Юпитером. Его установили в одном диспенсере с самым маленьким кубсатом миссии – ARICA (速報実証衛星). Созданный частным токийским Университетом Аояма Гакуин (青山学院大学) 1U-кубсат будет тестировать систему ретрансляции связи на землю через сети Globalstar и Iridium. Также он оснащен датчиком для обнаружения гамма-излучения.

NanoDragon (高機能 OBC 実証衛星) – единственный неяпонский спутник на борту Epsilon-5. Он построен и управляется Вьетнамским национальным космическим центром (Vietnam National Space Center/VNSC), хотя его включение в миссию произошло благодаря сотрудничеству с японской компанией Meisei Electric (明星電気).

Этот 3U-кубсат массой 3.8 кг оснащен демонстрационной полезной нагрузкой, которая поможет вьетнамским инженерам разработать системы для будущих малых спутников. В рамках своей миссии он будет использовать сигналы Автоматической системы распознавания (Automatic Identification System/AIS) для идентификации и отслеживания морских судов.

Будущая эксплуатация

В 2022 ф.г. (1 апреля 2022--31 марта 2023 гг.) Epsilon-6 (опять-таки доработанная усиленная версия) выведет на орбиту третий технологический демонстратор RAISE-3 (小型実証衛星 3 号機), а также спутники массой 100 кг, 50 кг и кубсаты. При этом JAXA проинформировало о завершении на этом эксплуатации усиленной версии «Эпсилона» - с седьмой ракеты впредь и навсегда (на ближайшие годы уж наверняка) планируется использовать модификацию Epsilon S.

Сравнение Epsilon S (справа) с существующей версией (см. таблицу ниже)

Расшифровка буквы S включает ни много ни мало пять смыслов:

- Synergy, «Синергия» (технологий);

- Speed, «Скорость» (т.е. немедленная реакция на запросы);

- Smart, «Высокая производительность»;

- Superior, «Превосходящий» (кого-либо);

- Service «Услуги» (пусковые).

Разработка Epsilon S, которой будет заниматься JAXA в сотрудничестве с японской компанией IHI Aerospace (IHI エアロスペース), будет проводиться в рамках второй фазы развития ракет семейства «Эпсилон». За основу будет взята усиленная версия, которую улучшат при помощи технологий и составных элементов разрабатываемого перспективного тяжелого носителя H3. Это будет сделано для снижения стоимости старта и повышения конкурентоспособности на рынке пусковых услуг мира.

Наибольшие изменения затронут третью ступень легкого носителя, которую увеличат в размерах, за счет чего удвоится масса топлива, а третья ступень уже не будет прятаться под обтекателем.

Сама конфигурация тоже изменится. Больше не будет вариативности – только вариант с доводочной ступенью PBS. Epsilon S сможет доставлять более 600 кг на солнечно-синхронную орбиту высотой 350-700 км и свыше 1.4 т на низкую околоземную (высотой 500 км и наклонением 31.1°).

Сообщается также о возможности пускать более двух ракет в течение 3 месяцев. Срок запуска полезной нагрузки не превысит 12 месяцев от момента заключения контракта. Сам же запуск спутника состоится в течение 10 суток после его приемки. На всякий пожарный предусмотрено размещение экстренных грузов не позднее, чем за 3 часа до старта.

Таблица 5. Сравнение усиленной версии «Эпсилона» и Epsilon S

Параметр		Усиленная версия Epsilon		Epsilon S
		Базовая конфигурация	Доработанная конфигурация
Компоновка		Три ступени	Три ступени + PBS	Три ступени + PBS
Полная длина, м		26		27
Авионика		Частично позаимствована у H-IIA		Частично позаимствована у H-3
Первая ступень	Двигатель	SRB-А		SRB-3
	Масса топлива, т	65.9		66.8
Вторая ступень	Масса топлива, т	15.0		15.0
Третья ступень	Масса топлива, т	2.5		5.0
	Способ установки	Под обтекателем		Снаружи обтекателя
Наземные пусковые системы		Системы пуска и безопасности полета унифицированы под H-3. Небольшая модернизация под системы ракет

Поэтому в 2023 ф.г. стартует седьмая по счету (Epsilon-7), но уже новая версия ракеты – Epsilon S. Целью испытательного пуска является доставка в космос вьетнамского спутника ДЗЗ LOTUSat-1. Это будет первый запуск иностранного спутника на ракете «Эпсилон». И аппарат, кстати, является клоном запущенного 18 января 2018 г. на Epsilon-3 японского радиолокатора ASNARO-2.

Опираясь на имеющуюся информацию (Википедию и сайты японских миссий), можно составить примерную картину по графику стартов легкого носителя после первого пуска Epsilon S:

- 2024 ф.г. Epsilon-8. Четвертый демонстратор RAISE-4 и миссия DESTINY+ (Demonstration and Experiment of Space Technology for INterplanetary voYage, Phaethon fLyby and dUst Science) по исследованию околоземного астероида (3200) Фаэтон и других аполлонов;

- 2025-2026 ф.г. Epsilon-9. RAISE-5 и орбитальная обсерватория Solar-C_EUVST (Extreme Ultraviolet High-Throughput Spectroscopic Telescope) для наблюдения Солнца в ультрафиолете;

- 2027-2028 ф.г. Epsilon-10. Астрометрический спутник ИК-диапазона JASMINE (Japan Astrometry Satellite Mission for INfrared Exploration);

- 2028 ф.г. (или позже). Epsilon-10. RAISE-6;

- после 2030 ф.г. Epsilon-11. RAISE-7.

- после 2030 ф.г. Epsilon-12. Космическая обсерватория HiZ-GUNDAM (High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission), для исследования ранних этапов существования Вселенной (темных веков) при помощи изучения далеких гамма-всплесков.

Разумеется, за горизонтом 2023 г. все пусковые даты и размещаемая полезная нагрузка могут и скорее всего изменятся.

Евгений Рыжков

Источники

Журнал «Новости космонавтики». № 2018/03, с. 44.

https://www.jaxa.jp/press/2021/08/20210820-2_j.html

https://www.jaxa.jp/press/2021/09/20210929-1_j.html

https://www.jaxa.jp/press/2021/10/20211001-2_j.html

https://www.jaxa.jp/press/2021/10/20211004-1_j.html

https://www.jaxa.jp/press/2021/10/20211005-1_j.html

https://www.jaxa.jp/press/2021/11/20211105-2_j.html

https://www.jaxa.jp/press/2021/11/20211106-3_j.html

https://www.jaxa.jp/press/2021/11/20211107-1_j.html