Australis OSCAR 5 (AO-5) и появление AMSAT

Australis OSCAR 5 (AO-5) — пятый по счету, радиолюбительский спутник, запущенный на низкую околоземную орбиту (LEO), 23 января 1970 года, в качестве дополнительной полезной нагрузки, метеорологического спутника TIROS-M (ITOS-1), ракетой — носителем Thor-Delta M21 с базы ВВС Ванденберг, штата Калифорния, США.

Australis OSCAR 5

 

А началась эта история так. В конце 1965 года студенты Мельбурнского университета Австралии, многие из которых являлись членами радиоклуба и общества астронавтики при университете, озадачились созданием собственного искусственного спутника Земли. Отсутствие опыта в построении и разработки космических аппаратов, энтузиастов конечно же не смутило, все они неплохо разбирались в электронике и механике и были уверены в возможности реализации своих замыслов. Связавшись с представителями калифорнийского проекта OSCAR и заручившись их поддержкой на проведение окончательных испытаний, а также помощи в организации запуска их спутника, команда Australis, приступила к полноценной работе по своему проекту. Но несмотря на первоначальные, достаточно амбициозные планы, в самом начале разработки, команда столкнулась с рядом проблем, вызванных недостаточным финансированием проекта, нехватка опыта так же дала о себе знать, что значительно упростило в конструкцию космического аппарата. Было решено отказаться от транспондера и солнечных батарей. В итоге было принято решение, что спутник Australis OSCAR 5 должен реализовать следующие задачи:

  1. Изучить возможности 10-метрового радиолюбительского диапазона в качестве нисходящей линии связи, для будущих спутниковых ретрансляторов;
  2. Испытать схему пассивной магнитной стабилизации и ориентации;
  3. Продемонстрировать возможности дистанционного управления космическим аппаратом с помощью переданных команд на спутник с наземных командно-приемных станций.
Блок схема АО-5

Электроника спутника размещалась в алюминиевом корпусе 431х304х152мм. Вес составлял примерно ~ 17.7 кг.

Внутренняя компоновка AO-5

На рисунке выше, показана внутренняя компоновка блоков, состоящей из передатчика на 10-ти метровый диапазон, работающий на частоте 29,450 МГц (250 мВт), передатчика 2-х метрового диапазона на частоте 144,050 МГц (50 мВт), командной системы, состоящей из приемника и декодера, которые позволяли включать и отключать маяк на 10-ти метровый диапазон с наземных станций управления,(маяк на 2-х метровый диапазон должен был работать непрерывно), магнитной системы стабилизации спутника, «HI» KEYER, восьми-канальной системы телеметрии, и батарейного блока состоящий из марганцево-щелочных элементов. Запланированный срок работы батареи, должен был составить около двух месяцев.

Фото прототипа и блок схема «HI» KEYER

«HI» Keyer, показанный в виде структурной схемы, состоит из мультивибратора частотой 4 Гц выход которого идет на четыре делителя частоты. Каждый из них делит частоту на два, на выходе делителя, частота составляет уже 0.25 Гц (один цикл каждые 4 секунды). Мультивибратор с частотой 4 Гц и делители частоты подключены к серии логических элементов ИЛИ-НЕ (NOR) для получения букв «HI», азбукой Морзе. Логика, как видно на фотографии, «резисторно-транзисторная». Температура, скорость вращения и производительность батареи, передаются по каналам системы телеметрии, кроме нулевого. Для измерения температуры использовались термисотры. Один термистор был закреплен на внутренней стороне алюминиевого корпуса, другой в изолированном электронном блоке.

Три фоторезистора, чувствительные к отраженному излучению от земли были установлены на ортогональных осях. Данные каждого из них указывали на то, как вращается спутник, и были использованы для оценки работы системы стабилизации магнитного положения. Скорость измерения всех трех параметров является мерой скорости вращения спутника.

Последовательность каналов телеметрии выглядит следующим образом:

0 — Идентификация «HI»

1 — Датчик разряда тока батареи

2 — Датчик горизонта по оси – Х

3 — Напряжение батареи

4 — Датчик горизонта по оси – Y

5 — Датчик внутренней температуры

6 — Датчик горизонта по оси – Z

7 — Температура поверхности КА

Блок схема системы телеметрии.

Все выходы различных датчиков определяют частоту звукового генератора. В отличии от предыдущих спутников серии OSCAR, сигнал «HI» (привет), не имел телеметрических данных. Непрерывно работающий переключатель – энеодер, отключает каждый датчик примерно на 6½ секунды и в каждом 52 секундном цикле подключает каждый датчик по очереди к схеме определения частоты аудиоусилителя. Выход этого генератора используется для амплитудной модуляции двух передатчиков. Частота звука варьируется от 400 Гц до 2 кГц (в некоторых источниках 3 кГц) в зависимости от значения функции передаваемой телеметрией в данный момент.

Фотография и блок схема передатчика 2 м. диапазона

Передатчик, работающий на 2-х метровом любительском диапазоне, состоит из генератора с кварцевым управлением, работающим на частоте 36.0125 МГц и двух каскадов удвоения частоты. Второй каскад служит в качестве выходного и обеспечивает номинальную мощность 50 милливатт на частоте 144.050 МГц. Амплитудная модуляция вводится из подсистемы телеметрии путем подачи сигнала переключения на первый каскад удвоения частоты.

Фотография и блок схема передатчика 10 м. диапазона

На изображении выше, структурная схема 10-метрового передатчика, имеется кварцевый генератор, работающий на выходной частоте 29,450 МГц. Амплитудная модуляция обеспечивалась системой телеметрии. Выходная мощность была 250 мВт, считаясь самой «прожорливой».

Фотографии приемника и декодера команд.
Структурная схема приемника и декодера команд.

Основным назначением приемника и декодера команд являлось возможность, как раз и управлять энергопотреблением «прожорливого» ВЧ-передатчика на 10-ти метровый диапазон, путем включения и выключения его работы. Приемник представлял собой супергетеродинный приемник, работающий на частоте 147,850 МГц. Декодер команд использовал три звуковых тона для определения состояния бистабильного триггера, контролировавшего состояние ВЧ-передатчика. Команда проекта, относительно недавно раскрыли частоты командной системы. Команда ON (включения) требовала одновременной передачи в течение нескольких секунд тона включения 2960 Гц и тона включения 3494 Гц. Команда OFF (отключения) требовала передачи тона включения и тона выключения с частотой 3226 Гц. Полоса пропускания каждого из звуковых фильтров командного тона составляла 30 Гц. Частоты намеренно не публиковались в Руководстве пользователя, чтобы оградить спутник от любопытных радиолюбителей и дать возможность управлять ВЧ-передатчиком спутника только авторизованными станциями.

Питание спутника осуществлялось от 28 марганцево-щелочных элементов. На тот момент, это был новый тип элементов питания. Каждый элемент имел напряжение 1,5 В. Неплохая емкость и низкая скорость саморазряда делали данные элементы вполне пригодными для их использования в космическом аппарате. Питание каждого из передатчиков было осуществлено двумя отдельными 20-ти вольтовыми блоками из 14 элементов, но вся остальная электроника спутника питалась от двух блоков сразу, через систему разделительных диодов (рис 10). Предполагалось, что если один блок батареи выйдет из строя, то только один передатчик прекратит работу, а остальная часть системы продолжит функционировать.

Фотографии батарейного отсека, справа внизу фрагмент с элементом магнитного стержня системы стабилизации.

Все модули были закреплены на алюминиевой раме (шасси). Теплоизоляционный слой отделял внутренние блоки от внешнего корпуса. Так же внешняя поверхность спутника была покрыта краской для поддержания стабильной внутренней температуры путем регулирования теплового излучения и поглощения. Так же АО-5 был оснащен парой микропереключателей (два — для дублирования). Они прижимались к ракете-носителю и отключали питание спутника от блока батареи до тех пор, пока он не отделится от ракеты-носителя. После отделения микропереключатели замыкали цепи и включили бортовую электронику. (Рис. 11)

Немного о системе стабилизации. Ожидалось, что, когда спутник отделится, он будет вращаться из-за вращения самой ракеты-носителя и из-за того, что две выбрасывающие пружины отделения спутника не будут абсолютно синхронными при срабатывании. Сильное вращение, усложнило бы считывание и декодирование телеметрии. Для уменьшения вращения и стабилизации спутника, было решено использовать магнитный стержень. Собственно, с помощью магнитного стержня (фрагмент на рис. 10 и схематичное расположение на рис. 3), за счет выравнивания спутника с магнитным полем Земли, вращение удалось значительно снизить. После отделения от РН, АО-5 делал примерно 4 вращения в минуту, через шесть дней его скорость вращения снизилась до ~ 0,13 оборота в минуту.

Антенны спутника были изготовлены из гибкой стальной ленты. Иными словами, из обычной измерительной рулетки, которые и в наше время достаточно часто используются в некоторых студенческих и любительских кубсатах. Что, конечно не является идеальным техническим решением, но вполне себе дешевым вариантом с простой системой раскрытия антенн.

К слову, это не означает, что проблем с раскрытием антенн используя «рулетки», можно избежать. Из относительно свежих примеров — радиолюбительские спутники SO-114 (EASAT-2), и SO-115 (HADES), где использовались антенны, сделанные из измерительной «рулетки», но развертывание антенн, не смотря на простую систему раскрытия, к большому сожалению, не произошло. Впрочем, рассмотрим историю этих спутников более подробно в свое время.

Свернутые антенны АО-5. И увеличенный фрагмент с микропереключателями, расположенными под отверстием пружины отделения.

По самим антеннам, информации не много, сводится обычно к упоминанию, вроде «ну да были такие, из гибкой стальной ленты». Но судя по описаниям, понятно, что спутник имел две четвертьволновые антенны, по одной для приемника 147,850 МГц и передатчика на 144.050 МГц, а также полуволновый диполь на 29.450 МГц

Не могу не упомянуть и о весьма занятных способах декодирования принятой телеметрии со спутника.

Например, один из способов предполагал использование фигур Лиссажу. Принятый сигнал подавался на вертикальный вход осциллографа, а синусоидальная волна от аудиогенератора подавалась на горизонтальный вход. Частота звукового генератора регулировалась до тех пор, пока не появлялся неподвижный эллипс. Но если вдруг осциллографа внезапно не оказывалось под рукой, не беда, сигналы можно было определить и на слух. Отмечается, что даже при плохом соотношении сигнал/шум, метод давал результаты с точностью до 10 Гц при частоте 2 кГц. Вместо использования звукового генератора предлагалось использовать пианино (!), впрочем, можно было использовать и иные музыкальные инструменты, если вдруг по какой-то причине рояль или пианино так же не оказывались по близости. Утверждается, что данный метод давал лучшую точность, чем способ с осциллографом, но рекомендовалось тщательно избегать путаницы октав!  Ну или при хорошем соотношении сигнал/шум, лучшим способом, считалось использование частотомера прямого считывания или цифрового счетчика, при его наличии. Не зазорным считалось использование магнитофона, для записи сигнала с последующим декодированием, но с определенными настройками записи. Это не все варианты, но вот такие интересные описанные способы, минувшей эпохи. (Сюда напрашивается карикатура.)

 

В целом, разработка АО-5 в техническом плане прошла достаточно гладко, команда знала, что делает. Но вот, к чему молодые инженеры не были готовы, так это к бюрократии. Административные проблемы могут быть серьезным препятствием во все времена. И команда периодически сталкивалась со многими проблемами, например, как доставка определенного необходимого компонента, условной стоимостью 50 центов из США в Австралию, которая по итогу увеличивала стоимость уже до 10 долларов, а для таможенного оформления этого компонента, требовалось целая куча документов и обивание порогов в нескольких государственных учреждений. Австралийские парни справились с этой непростой задачей и 1 июня 1967 года, примерно через 15 месяцев после согласования окончательных планов, готовый космический аппарат был доставлен в Калифорнийский проект OSCAR.

Но построить космический аппарат — полдела. Его ведь еще нужно, как-то доставить на орбиту. Изначально возможность запуска была намечена на начало 1968 года. Однако проект OSCAR, чувствовал себя не очень хорошо, задержка следовала за задержкой, пока миссия в конце концов не была отложена на неопределенный срок. В те времена, с этим было намного сложнее, чем в наши дни, особенно, когда нет своих собственных ракет-носителей, национального космодрома и государственной поддержки.

Для справки. К моменту начала работ над проектом АО-5, у Австралии уже был свой космодром (испытательный полигон) — «Вумера», расположенный в центральной части Южной Австралии. Более того, когда проект AО-5 был готов и ожидал своего запуска в США, 29 ноября 1967 года с космодрома «Вумера», был запущен первый австралийский спутник WRESAT, с помощью модифицированной американской РН «Sparta» (семейства РН «Redstone»), тем самым вырвав первенство австралийского спутника у АО-5. WRESAT питался от внутренней батареи, не имел солнечных батарей, оставался соединённым с третьей ступенью РН и летел по полярной орбите, передавая телеметрические данные в течении первых 73 витков, а 10 января 1968 года сошел с орбиты и сгорел в слоях атмосферы. На мой скромный взгляд, WRESAT построенный «Организацией оборонной науки и техники Австралии», был запущен лишь для того, чтобы первенство не принадлежало группе студентов, прикрыв тем самым ответственных лиц от вероятных неудобных вопросов.

В общем ребята из Австралии приуныли, их желания не совпадали с возможностями, а готовый спутник пылился на ответственном хранении в «гараже» проекта OSCAR, ожидая свой, постоянно откладывающейся запуск. Но стать музейным экспонатом или сгинуть в забвении, покрывшись метровым слоем пыли, этому спутнику было не суждено. В январе 1969 года, группа американских радиолюбителей с большим опытом работы в космической отрасли, в районе Вашингтона, округ Колумбия, организовали встречу, на которой сформировали продолжение развития проекта OSCAR. Результатом собрания, было появление некоммерческой организации AMSAT (The Radio Amateur Satellite Corporation). И уже 3 марта 1969 года, AMSAT была зарегистрирована, как образовательная корпорация. Ее основной целью стало продолжение и расширение работы, начатой проектом OSCAR, предоставляя возможность радиолюбителям участвовать в космических исследованиях и космической̆ радиосвязи. Справедливо будет отметить тот факт, что стараниями этой организации и возникшими на ее основе таких же организаций в других государствах, тесно сотрудничающих между собой, радиолюбители всего мира имеют возможность работать через спутники и проводить различные эксперименты. Очень важной частью этого, является и образовательная цель, где учащиеся различных образовательных учреждений имеют уникальную возможность опробовать полученные знания, как говориться «в полях». На практике изучать физические явления, которые откладываются в голове намного лучше, чем просто сухая теория.

Молодой компании, полной энтузиазма и амбиций, в поле зрения, очень кстати попадается спутник, разработанный командой студентов из Австралии и AMSAT выбрала в качестве своей первой задачи, организовать его запуск. После некоторых внесенных модификаций со стороны членов AMSAT(в основном это касалось замены элементов питания, которые пришли в негодность, за столь продолжительное время ожидания), как и их предшественники из проекта OSCAR, выполнявших работы по спутникам в основном в гаражах (это не стёб, а суровая реальность), «OSCAR-5» (получивший название Australis OSCAR 5) был успешно запущен при содействии Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Все предыдущие спутники OSCAR запускались с использованием ракет Военно-воздушных сил США.

Ракета-носитель Thor-DM21, на стартовом столе.

Наконец, после длительного ожидания, 23 января 1970 года в 11:31 GTM, с космического стартового комплекса SLC-2W, Australis OSCAR 5 отправился на орбиту планеты Земля. За запуском, следили радиолюбители со многих уголков мира, это стало возможным благодаря системе связи, созданной специально для этой цели. W3DWF, K3JTE и K8VTR занимали должности в Центре космических полетов им. Годдарда. С ними обеспечивали связь по телефонной линии W1AW, W3ASK и командой проекта Australis. Станция W1AW, работала на своих обычных частотах информационного бюллетеня для распространения информации о запуске, W3ASK поддерживал связь на КВ с любительскими станциями, а команда проекта Australis распространяла информацию в Австралии. Кроме того, W1AW поддерживал УКВ-связь со станцией слежения WA1IOX.

В 12:37 GTM телеметрия НАСА показало отделение Australis OSCAR 5 от ракеты-носителя. Теперь настала очередь АО-5 сообщить о себе. Традиционная напряженность в ожидании начала работы спутника, была нарушена, сообщением от 5R8AS, о том, что был принят громкий и четкий сигнал маяка на частоте 144,05 МГц в 12:38, а телеметрия АО-5 показала, что передатчик 10-метрового диапазона работает нормально.

G2BVN впервые сообщил о фактическом приеме сигнала на частоте 29,450 МГц в 12:52 по Гринвичу. Спутник теперь был полностью «виден» из Европы, и сигналы принимались большим количеством радиолюбителей. Все свидетельства указывали на то, что АО-5 действительно функционировал, запуск был успешным. В то же время, несмотря, на радость, успешного запуска, и первых принятых сигналов с АО-5, где все выглядело хорошо, возникли две проблемы. Во время орбиты №3, р/л K2SS сообщил, что модуляция 10-метрового сигнала упала до низкого уровня. По данным телеметрии, выяснилось, что температура космического аппарата была выше, чем хотелось бы. Изначально температура при запуске со второй ступени ракеты-носителя составляла около 20°C. Температура начала повышаться на орбитах с 1 по 10, после чего стабилизировалась внутри, на уровне 43°C ± 3°C. Несмотря на расчетный диапазон температур от 19°C до 45°C все последствия этой более высокой температуры были неблагоприятными. Срок службы батареи был сокращен во время начальной фазы разряда: что еще хуже, мощность маяка 144,05 МГц падала быстрее из-за снижения эффективной работы выходного транзистора вследствие уменьшения напряжения питания. В итоге от изначально предполагаемых двух месяцев работы, маяки АО-5 проработали существенно меньше. Маяк на частоте 144,05 МГц отработал 23 дня (281 виток). Второй маяк на частоте 29,450 МГц отработал 46 суток (562 виток). Его круговая орбита составила 1478 км. в апогее, 1432 км. перигея, а наклон составил 102°.

Еще несколько фотографий АО-5

Подводя итоги, не смотря на проблему с температурой, в следствии чего снизился срок работы источника питания, миссию Australis OSCAR 5 можно назвать вполне успешной. Полученные данные о температуре и телеметрическая система расширили знания об изменениях температуры в тени Земли и за ее пределами, а разница температур вне и за пределами AO-5 предоставила важные данные, необходимые для проектирования других любительских спутников. Данные трех датчиков положения показали хорошее функционирование новой системы пассивной магнитной стабилизации и ее пригодность для спутников с низкой полярной орбитой. Наблюдения прислали многие любительские станции со всех континентов*, а также университеты, наблюдавшие за работой спутника. Успех миссии доказал и возможность международного сотрудничество различных любительских коллективов. Australis OSCAR 5 так же был первым любительским спутником с дистанционным управлением, которое использовалась для отключения и включения радиомаяка, работающего в 10-метрового диапазоне (29,450 МГц) по расписанию, увеличив общую продолжительность работы космического аппарата.

По поводу QSL и иных памятных сертификатов, за прием телеметрии этого спутника, на сколько я знаю, не было. Общался с прямыми свидетелями тех событий. В качестве подтверждения достижения, можно было использовать собственноручно оформленный бланк с принятой телеметрией. Пустые бланки рассылались по запросу радиолюбителей, с оплатой конверта, организацией AMSAT, но можно было сделать такой бланк и самому.

На данный момент, спутник Australis OSCAR 5 до сих пор находится на орбите Земли.

Команда проекта Australis. Слева направо: (задний ряд) Джон Монро VK3ZGY, Пол Данн, VK3ZPD, Ричард Тонкин, Джефф Томсон; (передний ряд) Оуэн Мейс, Питер Хаммер, VK3ZPI, и Стивен Ховард. Отсутствуют на фото: Дэвид Беллэйр VK3QQ, Джон Амуд, VK3ZAU и Леа Дженкинс VK3ZBJ.

Могу добавить, что есть целая книга, посвященная проекту Australis OSCAR 5, авторы Оуэн Мейс и Ричард Тонкин. К моему большому сожалению, приобрести эту книгу я не смог, и знакомился с ней лишь фрагментарно. Желающим узнать об этом спутнике больше, могу рекомендовать ее к ознакомлению, если есть возможность. А список материалов по АО-5 традиционно в конце статьи.

 

Спутник Номер Маяк 10 м. Маяк 2 м. Режим Дата запуска Статус
Australis OSCAR 5 (АО-5) 04321 29,450 МГц 144,05 МГц CW, AFSK 23.01.1970 Не активен

 

Записи сигналов AO-5

Запись 10-метрового участка диапазона, передача на 29,450 МГц. Записано в день запуска 23 января 1970 года. Предоставлено Крисом VK3AML.

Запись 2-метрового участка диапазона, передача на 144,050 МГц Записано в день запуска 23 января 1970 года. Предоставлено Крисом VK3AML.

 

*Наиболее поздний источник сообщает о более 27 странах.

 

Список использованных материалов

 

Журнал «QST», июль 1969 г., стр. 58

Журнал «QST», август 1969 г., стр. 70

Журнал «QST», декабрь 1969 г., стр. 54

Журнал «Amateur radio», декабрь 1969 г

Журнал «QST», март 1970 г., стр. 86

Журнал «QST», апрель 1970 г., стр. 61

Журнал «QST», октябрь 1970 г., стр. 54

Журнал «QST», декабрь 1970 г., стр. 64

http://www.dd1us.de/

https://australis-oscar5.weebly.com/

 

Следующий на очереди спутник АО-6.

Всех благ и с наступившим Новым годом! 73!

 

А. Шафиев (RA3PPY) для R4UAB