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:


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