Planet Labs — ещё одна жертва рекордного пуска Роскосмоса? +53

В последние дни в СМИ снова стали поднимать тему рекордного для России пуска 14 июля 2017 года, когда разгонный блок Фрегат вывел на орбиту 73 спутника. При этом многие аппараты тогда вышли из строя, но Роскосмос упорно заявляет о своей непричастности к авариям. Тем не менее, американской компании, потерявшей тогда свои спутники, выплатили страховку после того, как российская сторона предоставила им телеметрию Фрегата, из которой следовало, что именно он стал причиной выхода спутников из строя.

Больше всего спутников (48) этого пуска принадлежит компании Planet, и мне стало интересно посмотреть, всё ли у них в порядке. Раньше на них никто не обращал внимания, потому что сама компания молчит об их судьбе, но, как выясняется, для расследования хватит и открытых данных. И после этого не остаётся сомнений, что проблемы испытывают гораздо больше спутников, чем пишут сейчас в СМИ.

Planet и их спутники


Начнём с того, что компания Planet (бывшая Planet Labs) сейчас имеет на орбите больше 250 кубсатов, которые позволяют ей фотографировать всю поверхность суши каждый день. При этом практически весь объём каждого маленького спутника занимает оптика, и никакого двигателя у них нет. К счастью, человеческую изобретательность ограничивают только законы природы, и существует способ влиять на орбиты спутников даже без двигательной установки.

Дело в том, что, во-первых, все они летают на низких орбитах (максимум 600 км), а во-вторых, имеют раскладывающиеся солнечные панели. А это значит, что, поворачивая спутник разными сторонами к направлению движения, можно влиять на сопротивление воздуха, который на этой высоте, конечно, очень сильно разрежен, но всё равно слегка ощущается.



Разумеется, в состав спутника входит система управления, позволяющая поворачивать его в нужном направлении, и получается, что с её помощью можно управлять скоростью его снижения (чем больше сопротивление воздуха, тем быстрее снижается спутник). А от высоты орбиты зависит период обращения (иначе говоря, угловая скорость). Чем ниже спутник, тем меньше его период, тем больше угловая скорость.

Спутники Dove (“Голубь”, так они называются) запускают сразу по несколько штук на одной ракете (рекорд — 88 за раз). Группа таких одновременно запущенных аппаратов называется Flock (“Стая”). Орбиты всех спутников из одной и той же “стаи” находятся в одной и той же плоскости. Поэтому главная задача состоит в том, чтобы равномерно распределить спутники каждой “стаи” по плоскости их орбиты:



Для этого окружность делят на равные части — слоты — и каждому спутнику присваивается свой слот. При этом сразу после запуска все спутники находятся близко друг к другу, потому что отделяются от одной ракеты, поэтому существует два этапа: разведение спутников по своим слотам и поддержание позиции каждого спутника в своём слоте. И тут мы вспоминаем про угловую скорость. Она зависит от высоты, а на скорость изменения высоты можно влиять ориентацией аппарата.

При этом высота всех аппаратов изначально разная из-за того, что они отделяются от ракеты по-разному, а от скорости и направления отделения зависят небольшие вариации в высоте получающейся орбиты спутников. И всё дело в том, что сервис space-track.org позволяет для каждого околоземного спутника получить данные по его орбите, обновляемые примерно раз в день (как текущую орбиту, так и все предыдущие измерения). Так что мы можем посмотреть, как вели себя орбиты спутников Planet, запущенных на той ракете, и как они распределялись по своей орбитальной плоскости.

Сразу оговорюсь, что один из 48 спутников Dove оказался вообще на другой орбите (его отделили раньше времени), тогда как другой спутник (Lemur) оказался на орбите, где должен был быть тот Dove (Lemur отделился позже своего времени). То есть, они словно поменялись местами. Официально обяснить это так никто и не смог. При этом, тот Lemur работает как надо, а Dove так и не вышел на связь, поэтому мы будем рассматривать только 47 аппаратов.

Что произошло


Давайте для начала рассмотрим первый месяц существования спутников. Если взять один из аппаратов и наложить на график по дням положения всех остальных спутников относительно него, получится такая визуализация:



По радиальной оси (удаление от центра) тут дни, и наглядно видно как со временем спутники расползаются по плоскости орбиты. Пока всё идёт хорошо. Давайте теперь посмотрим график высоты спутников за первые 130 дней.



Как мы видим, все спутники были управляемо сведены на одну высоту, кроме трёх. Эти три спутника снижаются медленнее остальных, потому что не используют описанный выше способ торможения. А значит, они быстро утратили возможность держать ориентацию. На графике распределения по плоскости это тоже хорошо видно:



Мы видим, что все аппараты за эти 130 дней заняли свои слоты, а три (красный, синий и фиолетовый) неуправляемо летают по всей плоскости. Так как они находятся выше остальных, угловая скорость у них меньше, поэтому они отстают от остальных спутников, что мы и видим на графике. Ещё один спутник (рыжая линия) тоже ведёт себя необычно, но по графику высоты мы видим, что он сохраняет способность торможения и управляемо идёт к слоту чуть ниже 0 градусов.

Итак, где-то через 45-50 дней после пуска три спутника из 47 полностью утратили возможность поддерживать ориентацию. Иначе говоря, вышли из строя. На следующем графике я исключу эти аппараты, чтобы не захламлять картину. А картина на сегодняшний день получается вот какая:



Как видно, где-то в районе 140 дня ещё три аппарата понесло по плоскости орбиты (серый, рыжий и розовый), а около 165 дня к ним присоединился ещё один (зелёный). Кроме того, в глаза бросается странное перемещение другого спутника (коричневый). На графике высоты видно, что он не отстал, а наоборот стал снижаться быстрее других:



О причинах такого снижения нельзя точно что-либо сказать. С одной стороны, Planet могла решить резко направить этот аппарат в другой слот. С другой, он уже был частью участка с отличным распределением аппаратов и я не вижу причин, которые заставили бы его оттуда убирать. Аппарат мог выйти из строя, находясь при этом в “тормозящей” ориентации.

Что касается тех четырёх отбившихся спутников, на графике высоты видно, что они в один момент всё же поменяли ориентацию и стали снижаться быстрее, но всё равно они едва ли функционируют штатно. Все они были отлично спозиционированы в своих слотах, и ушли оттуда явно не от хорошей жизни. Вероятно, эти спутники не мертвы, но и не полностью функциональны.

Интересно сравнить этот график с двумя предыдущими пусками Planet:
Сравнение
Рекордный для Planet запуск 88 аппаратов за раз:

Несколько аппаратов выбиваются из общей группы, но далеко не так сильно, как первые три из нашего пуска. Ещё один более ранний запуск:

Видно, что многие аппараты так же выбивались, но в итоге все собрались вместе. Так что, такое поведение первых трёх спутников явно выбивается.


Так что, на данный момент мы имеем из 48 аппаратов 4 мёртвых и ещё 5 явно не совсем здоровых.

Таким образом, список вышедших из строя аппаратов можно расширить: МКАН x 2, Landmapper x 2, Маяк, Эквадор, Искра, Cicero x 3, Dove x 4. Это 14 вышедших из строя аппаратов, плюс Lemur 2 Artfischer не на своей орбите, плюс ещё 5 спутников Dove нездоровы через 4-5 месяцев после пуска.

Возможные причины


Анализ происшествия от команды спутника Маяк заключил, что на Фрегате могла быть утечка гидразина. Эту версию позже подтвердили СМИ, да и в Роскосмосе признались, что с одним из двигателей случилась «аномалия». Правда, официальная позиция настаивает на том, что эта «аномалия» была зафиксирована после отделения группы кубсатов, в которой было множество отказов, поэтому своей вины в них Роскосмос не признаёт. По официальным заявлениям, неисправность в двигателе была зафиксирована на 11440-й секунде полёта, то есть примерно через 3 часа. Но дело в том, что спутники Dove как раз отделялись гораздо позже, на восьмом часу полёта, так что их могло задеть вытекающим гидразином.

И эта версия вполне может объяснить аномалии со спутниками Planet. Дело в том, что, когда гидразин попадает на солнечные панели, они начинают постепенно деградировать и со временем давать всё меньше и меньше энергии. Соответственно, чем больше гидразина на них попадает, тем хуже. Согласно этой версии, первым трём аппаратам не повезло, и уже через 50 дней они были не в состоянии обеспечить себя электричеством.

Надо сказать, скорее всего, то же самое произошло с двумя спутниками Landmapper. Компания Astro Digital, их разработчик, через полтора месяца после пуска написала, что изначально связь с аппаратами была, но позже пропала. Что касается остальных 5 спутников Dove, если они нездоровы, то это может иметь схожую причину: деградация солнечных панелей. Но не такая серьёзная, как у первых трёх спутников, что позволило им продержаться дольше. Впрочем, стоит отметить, что причины неполадок могут быть и другие.

Материалы:
arxiv.org/abs/1509.03270
arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.A33927
www.space-track.org
spacenews.com/additional-cubesats-on-july-14-soyuz-flight-are-unresponsive
blog.astrodigital.com/not-nominal-we-lost-2-satellites-23e771a4bc8b
www.gazeta.ru/science/2018/03/12_a_11679697.shtml
tass.ru/kosmos/5032458

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (32):

  1. Lirzman
    /#10669273 / +3

    А есть статистика неисправностей по предыдущим пускам Planet? Может гидразин тут не причём?

    • tossha
      /#10669299 / +2

      Вот график их рекордного запуска, когда вывели 88 спутников в одну плоскость. Несколько аппаратов выбиваются, но совсем не так сильно, как первые три из моей статьи: tossha.com/p/180317_141241.png

      Вот ещё один пуск. Видно, что аппараты тоже немного выбивались, но в итоге сошлись:
      tossha.com/p/180317_141525.png

      • Zelenyikot
        /#10669307 / +2

        Думаю это надо добавить в статью для сравнения.

    • chromimon
      /#10670469

      Может гидразин тут не причём?


      Там же сильно разреженно. Почти вакуум.
      Большая часть гидразина ушла «в молоко».

      Спутнику может стать хреновастенько если струя гидразина будет в него непосредственно бить.

  2. old_bear
    /#10669287 / +2

    Очень интересная статья, спасибо.
    Но соглашусь с предыдущим оратором — без сравнения с данными по предыдущим запускам (хотя бы одному, признанному успешным) картина выглядит неполной. Вдруг это нормальный для Planet процент отказов и они его компенсируют массовостью и новыми запусками?

  3. Javian
    /#10669373 / +1

    Погуглил, что гидразин является активным восстановителем — наверное гидразин не на солнечные панели действует, а на незащищенный припой и проводники. Точнее могут сказать химики.

    • Helium4
      /#10669607

      В том то и загадка. Возможная реакция — каталитическое разложение гидразина на поверхности меди/припоя на газообразные азот и аммиак, с небольшой примесью водорода и выделением тепла ~3,5кДж/г гидразина. В отсутствии воды аммиак ничего не должен делать с медью.

      • black_semargl
        /#10669777

        В вакууме сильно иначе — сначала образуется аммиак, NH2 и атомарный азот — а потом последние два реагируют с тем что первое встретят. И если это деталь спутника, а не другая молекула гидразина — всё сильно иначе…

        • Helium4
          /#10670173

          Я как раз для газовой фазы и писал, вы совершенно верно указали. Реакция идет на поверхности металла-катализатора, сначала образуются радикалы *NH2, потом они рекомбинируют, в зависимости от растворимости водорода в катализаторе, с образованием: NH3, атомарного азота и водорода, которые рекомбинируют на поверхности катализатора в молекулярный азот и водород с выделением тепла. Но медь на платах покрыта лаком, поэтому есть два варианта — реакция на поверхности припоя с его охрупчиванием за счет растворения водорода или локальный перегрев — если гидразина попало много. Третий вариант — частичное растворение гидразина в лаке, с повышением электропроводности. Но, количество, количество гидразина для охрупчивания и перегрева должны быть солидные — граммы попавшие локально.

          • black_semargl
            /#10670609

            Лак — углеводород, поэтому радикалы будут изымать из него водород превращаясь в аммиак.
            А образующийся при этом углерод — проводник.

            • jar_ohty
              /#10670775

              Не только проводник, но и поглотитель света.

  4. thatsme
    /#10669377 / +1

    Ещё было-бы интересно статистику по запускам Союз 2.1а/2.1б с разгонным блоком «Фрегат» и без него, с разгерметизацией баков окислителей и горючего 3-й ступени. И с выживаемостью спутников, даже если запуск признан удачным. Интересно также вообще, возможно-ли набрать достаточно статистического материала, для того что-бы однозначно показать пальцем на брак в самих спутниках или проблемах 3-й ступени Союзов.

  5. pnetmon
    /#10669389

    Таким образом, список вышедших из строя аппаратов можно расширить: МКАН x 2, Landmapper x 2, Маяк, Эквадор, Искра, Cicero x 3, Dove x 4. Это 14 вышедших из строя аппаратов, плюс Lemur 2 Artfischer не на своей орбите, плюс ещё 5 спутников Dove нездоровы через 4-5 месяцев после пуска.

    Лучше перед этим расписать какие спутники отделялись и когда: Канопус-В-ИК, 5 (такие), 19 (такие), 48 (Dove x 48).
    Dove x 4 тоже лучше разбить Dove: 1 cразу не вышедшего на связь, 3 с некорректной работой через 50 дней.


    По официальным заявлениям, неисправность в двигателе была зафиксирована на 11440-й секунде полёта, то есть примерно через 3 часа.

    Через 3 часа чего? Отделение космических аппаратов МКА-Н №1 и №2 и ряда других спутников (включая Corvus-BC) в соответствии с циклограммой проходило в период времени (9180-9590 с) до момента выявления неисправности двигателя ДТ7 (11440 с)

    • tossha
      /#10669445

      Лучше перед этим расписать какие спутники отделялись и когда
      У меня не было цели анализировать весь пуск, поэтому подробности других поломок я опустил.

      Через 3 часа чего?
      11440 секунд это примерно 3 часа после пуска.

      • pnetmon
        /#10669515

        Вы пишите заключение. В котором указываете про поломки других спутников. С предложенными замечаниями оно будет лучше.


        Понятно что через три часа после старта РН, но когда по сообщениям ГКР закончилось отделение 19 спутников, когда должен был начаться процесс отделение Голубей, относительно этого про три часа лишнее.

  6. Popadanec
    /#10669471 / +2

    В публикации не хватает фоток самих аппаратов.

    Таких к примеру:




  7. dimanhursky
    /#10669663

    А картинка с низким сопротивлением верная?
    Вроде камера все равно должна быть на землю (вниз) направлена.
    Логичнее разворачивать камерой вниз и вперед панелями для малого сопротивления. И поперек панелями для большего. ИМНО

    • arheops
      /#10669727

      Все правильно. Спутники ориентируются вдоль траектории для минимального сопротивления. Направляются вниз для снимков. Но это уже когда они четко находятся в слоте.

  8. hardegor
    /#10669729

    Интересно, если они могут так вертеть спутники и снимать Землю в высоком разрешении, то почему бы не сделать снимки своих спутников и увидеть проблемные участки. Вопрос только с фокусировкой оптики.

    • Mike_soft
      /#10670157

      До спутника в соседнем слоте — больше 150 км. Разрешение при этом будет чуть менее метра. И что тут увидишь? Плюс условия освещения.
      А "ловить" "пролетающий мимо" спутник — задачка вообще нетривиальная. Хотя наверняка решаемая — но слишком много ресурсов заберёт.

      • hardegor
        /#10670341

        Почему мимо? Они на определенном расстоянии друг от друга, скорости примерно одинаковые. Если окружность 600км разделить на кол-во спутников получим примерно 100км по дуге, секущая сегмента будет еще меньше. Но они вылетали группой и потом 3 месяца разлетались по орбите, всяко под солнечное освещение попадали, можно друг друга пофотографировать и сравнить.
        Вопрос только в глубине резкости оптики.

        • tossha
          /#10670473

          А где там окружность 600 км? 600 км это высота спутников над поверхностью, а радиус окружности 6971 км, значит длина окружности 43800 км. Разделить даже если на 48 спутников, будет 913 км. Идея совершенно нереальная.

          • Mike_soft
            /#10671671

            но планировалось-то вывести не 48, а под 200. уже выведено в районе 90…

  9. black_semargl
    /#10669781 / +2

    Из графика видно, что примерно на 120 день спутники прекратили активное передвижение и по всей вероятности начали фотосъёмку. И именно после этого ещё пять спутников решили «сбросить».
    Так что не исключено что у них проблемы с оптикой. И их увели скажем так в резерв — вдруг загрязнение испарится когда-нибудь.

    • Popadanec
      /#10669883

      Может это вообще резерв? На случай если выйдут из строя те что на рабочих орбитах. Можно будет относительно оперативно заполнить пробел.

      • TerraV
        /#10670063

        Роскосмос помогает создавать резервы!

      • lingvo
        /#10671087

        Те спутники, что имеют высоты выше остальных, вполне могут быть выведены в резерв — их в принципе всегда можно поместить в нужный слот вместо вышедшего из строя. Запас по высоте как раз должен быть для этого. Поэтому не факт, что эти спутники неисправны, раз сам производитель об этом не говорит.

        • tossha
          /#10671185

          Специально дал ссылки на статьи, почитайте. Там подробно все их процедуры расписаны. Нет понятия резерв, они всегда используют все спутники. Даже если бы и было, то их бы не держали настолько выше остальных, потому что снижаться было бы слишком долго в случае необходимости.

  10. Jeditobe
    /#10670011

    Окей гугл, где купить немного гидразина?

    • Stalker_RED
      /#10670713 / -1

      Сварить из нашатырного спирта и отбеливателя «белизна»? (На самом деле все не настолько просто, понадобится правильная температура, давление, и катализаторы, наверное). И он очень ядовитый. Прям совсем.