„Duży może więcej”?
Gdy 4 października 1957 roku, wraz ze świtem ery kosmicznej, na orbitę okołoziemską trafił pierwszy sztuczny satelita, jego niepozorne rozmiary istotnie szły w parze z technicznym minimalizmem. Przecierający szlaki radziecki Sputnik-1 (PS-1) posiadał masę zaledwie 84 kg, składając się jedynie z podstawowych czujników, ogniw zasilających i dwóch emiterów sygnału radiowego. I choć wynikało to bardziej z pragmatyki rywalizacji politycznej o pierwszeństwo w kosmosie, zredukowana do minimum forma pasowała do scenariusza nieśmiałych początków nowej ścieżki technologicznej. Już wtedy jednak było wiadomym, że możliwości rakiet kosmicznych oferują znacznie więcej, niż tylko wynoszenie na orbitę prostych instrumentów sygnałowych o znaczeniu głównie propagandowym. Niecały rok później, w dniu 15 maja 1958 roku, wystrzelono pierwszego w pełni rozbudowanego satelitę badawczego Sputnik-3 (D-1), który ważył już ponad 1320 kg.
Choć starty tak ciężkich instrumentów orbitalnych jeszcze przez szereg lat nie zdarzały się zbyt często, im dalej w głąb historii rozwoju przemysłu satelitarnego, tym wyraźniej zarysowywał się trend produkcji coraz bardziej masywnych, zintegrowanych aparatur. Gabaryty sukcesywnie rosły w miarę wyznaczania satelitom kolejnych skomplikowanych zadań i misji. Wzrost dyktowały też współczynniki efektywności i ekonomii użytkowej, które jednoznacznie wykazywały wyższą żywotność, korzystniejszą relację energii pozyskanej do zużytej oraz niższy pobór zasobów produkcyjnych i roboczogodzin po stronie cięższych satelitów. Obrany kierunek miał przy tym związek z ówczesnym procesem technologicznym, dalekim od współcześnie obowiązujących standardów miniaturyzacji i kompresji zasobów technicznych.
Z czasem (1970 rok) w Stanach Zjednoczonych firma Hughes Aircraft Corp. wprowadziła do użycia pierwszy zestandaryzowany model platformy satelitarnej (HS-333, na bazie szkieletu satelity Intelsat-1), przygotowanej do współpracy z różnymi rodzajami montażu i komponentów misji. Powstał tym samym punkt odniesienia dla rozwoju konkretnych wzorców użytkowych w inżynierii satelitarnej, sprzyjający m.in. oszczędności cennej przestrzeni załadunkowej. Równolegle rosły jednak wymagania i skala zapotrzebowania na wyższe osiągi sprzętu, co ponownie przekładało się na zwielokrotnienie jego masy i gabarytów.
Rosnąca rozpiętość skali i parametrów produkowanych satelitów coraz bardziej prowokowała do ustalenia kryteriów ich podziału. Masa, obok rodzaju pełnionych funkcji, pozostawała jednym z najbardziej oczywistych wyróżników. Brakowało jednak wyraźnie zarysowanej, obiektywnej granicy, pozwalającej jednoznacznie oddzielić satelity lekkie od tych masywnych. W efekcie powstało wiele równolegle stosowanych umownych klasyfikacji gabarytowych, wyznaczających linię podziału w różnych punktach zakresu od 100 do 1000 kg. Rozróżnienie to w dalszym ciągu pozostaje dość niejednoznaczne i zależy w dużej mierze od wyboru jednej z konkurencyjnych konwencji. Chcąc wyszczególnić tę najbardziej wiarygodną, należy zwrócić uwagę na historyczne źródło pochodzenia samej idei.
Gruntowna zmiana percepcji
Choć już sam Sputnik i wielu jego bezpośrednich następców może być zaliczanych współcześnie do grupy miniaturowych satelitów, najczęściej przywoływany zaczątek klasyfikacji według ich masy pochodzi dopiero z 1992 roku. Systematyka została opracowana na Uniwersytecie w Surrey w Wielkiej Brytanii przez lokalne Centrum Badań z zakresu Inżynierii Satelitarnej (University of Surrey Centre for Satellite Engineering Research). Ośrodek zasłynął zresztą własnymi pionierskimi projektami technicznymi lekkich satelitów.
Formułując wnioski ze swoich badań, brytyjscy naukowcy zaproponowali wyodrębnienie osobnej, zbiorczej klasyfikacji obejmującej satelity o masie całkowitej (satelita wraz z paliwem) nieprzekraczającej 500 kg. W tej kategorii uwzględniono wiele podkategorii, bazujących w swoim nazewnictwie na przedrostkach jednostek miary właściwych dla układu SI. Nazwy błyskawicznie się przyjęły, dając z kolei początek wewnętrznemu rozróżnieniu typów lekkich satelitów. Wydzielono w ten sposób: minisatelity (500 - 100 kg), mikrosatelity (100 - 10 kg), nanosatelity (10 - 1 kg), pikosatelity (1 kg – 0,1 kg) oraz femtosatelity (poniżej 100 gramów).
Wskazana klasyfikacja nie opierała się jednak wyłącznie na kryterium wagowym. Warunkiem podstawowym uznania małogabarytowego przedmiotu za satelitę była również jego samowystarczalność w wykonywaniu konkretnych funkcji na orbicie. W zakresie tym uwzględniono działanie zarówno w trybie aktywnym, jak i pasywnym.
Brytyjska systematyka minisatelitów zjednała sobie szybko wielu zwolenników, także tych najbardziej uznanych i dyktujących trendy. W swoich badaniach i opracowaniach poświęconych satelitom posługiwali się nią zarówno naukowcy akademiccy, jak i przedstawiciele głównych ośrodków branżowych oraz centrów analitycznych. Tendencja ta uległa w ostatnim czasie dodatkowemu nasileniu, zważywszy na szybko rosnący udział w obrocie gospodarczym i potencjał użytkowy niewielkich satelitów.
Zwiastuny ekspansji
Najświeższy tego przykład mogą stanowić wnioski przytaczane w analizie rynku poświęconej minisatelitom, opublikowanej w lipcu 2017 roku przez międzynarodowe biuro analityczne Euroconsult. W opracowaniu pt. Prospects for the Small Satellite Market komercyjny ośrodek ekspercki poddał ocenie kondycję branży w ubiegłej dekadzie, jak również pokusił się o prognozę sektorową na nadchodzące 10 kolejnych lat.
Z branżowych zapowiedzi wyłonił się obraz dynamicznego wzrostu znaczenia i kapitalizacji sektora, a za jego sprawą też całej branży kosmicznej. Wskazano w tym kontekście zwłaszcza na rosnący zakres usług, jakie są realizowane z użyciem lekkich satelitów (do 500 kg). Jak podkreślono, do chwili obecnej minisatelity dowiodły już swojej użyteczności na polu teledetekcji, łączności satelitarnej, telekomunikacji, a także rozpoznania kosmicznego i obserwacji naukowo-badawczych. Zwrócono uwagę również na obszar kontraktów rządowych, zarówno w wymiarze podwójnego przeznaczenia, jak i zastosowań typowo militarnych, podkreślając duży potencjał użytkowy lekkich konstrukcji i ich postępującą specjalizację.
Punktem wyjścia dla optymistycznej prognozy Euroconsult w zakresie rozwoju rynku minisatelitów pozostawały wskaźniki i dane z ubiegłych 10 lat. Odnotowany w okresie 2007-2016 bujny wzrost kapitalizacji na średnim poziomie 12 proc. rocznie pozwolił branży osiągnąć w tym czasie wartość całkowitą wynoszącą blisko 8,9 mld USD, łącznie z dedykowanym segmentem obsługi startów kosmicznych. Jak ustalono, 53 proc. tej wartości wypracowano w ramach realizacji kontraktów rządowych – osobno potraktowano zlecenia wojskowe, które zdaniem Euroconsult przyniosły kolejne 10 proc. wartości rynkowej branży w latach 2007-2016. Pozostałą część wygenerowały zastosowania komercyjne.
W tym samym okresie na orbitę okołoziemską trafiło 890 lekkich satelitów, z których 94 proc. posłano na niską orbitę okołoziemską – większość jako instrumenty obrazowania Ziemi (37 proc. ogółu zastosowań). Wspólna masa wszystkich startujących w tym okresie małych obiektów przekroczyła 64 tony. Blisko 57 proc. z nich wystrzelono w wąskim przedziale lat 2013-2016. I choć w porównaniu do lat poprzedzających ostatnie dwa stały pod znakiem pierwszego wyraźnego spadku liczby wystrzeleń, w samym tylko 2016 roku pojawiły się na orbicie 133 nowe miniaturowe satelity.
Pomimo wyraźnego spadku tempa rozrostu zasobów lekkiej infrastruktury orbitalnej, Euroconsult zauważa jednak sygnały rychłego powrotu do wysokiej dynamiki rozwoju. Wśród tych najczęściej podawanych jest pokaźna liczba zakontraktowanych na przyszłe lata startów i znaczna liczba zapowiedzianych projektów budowy superkonstelacji orbitalnych. Szacowany jest wręcz siedmiokrotny wzrost popytu na rozwiązania „wielkokonstelacyjne”, głównie w obszarze technologii telekomunikacyjnych. W ciągu najbliższych 10 lat segment ten ma zresztą wyjść na prowadzenie w rankingu usług realizowanych z użyciem lekkich satelitów, angażując nawet 50 proc. infrastruktury „smallsat”.
Czytaj też: Kolejny krok na drodze do systemu nośnego dla mikrosatelitów
Skalę rozwoju ma dobitnie podkreślać już sam przyrost liczby małych satelitów na orbicie – w latach 2017-2026 ma ich tam trafić bowiem aż 6214 (dla przypomnienia, w poprzedniej dekadzie wystrzelono 890 lekkich satelitów). Co więcej, szacunkowa wartość całego rynku powinna w tym czasie przekroczyć 30,1 mld USD, wobec notowanych dotychczas 8,9 mld USD. Większy niż dotychczas udział w generowaniu tego kapitału powinni mieć również dostawcy i odbiorcy prywatni.
Z technicznej strony tak wydatny postęp będzie ugruntowany przede wszystkim postępem miniaturyzacji i wzrostem efektywności kosztowej w produkcji skomplikowanych nanomechanizmów. Jak wskazano w raporcie Euroconsult, miniaturyzacja to ciągły proces, który pozwala sukcesywnie zmniejszać wagę wszystkich satelitów, pozostawiając te same funkcje lub nawet je rozszerzając. W najcięższych kategoriach masowych małe satelity są teraz w stanie wykonać misje, które były wcześniej osiągalne jedynie dla satelitów ważących ponad 500 kg.
Dzięki nowym możliwościom, także w zakresie platform nośnych dedykowanych małym ładunkom, minisatelity będą dokonywać również ekspansji w bardziej dosłownym sensie – zajmując wyższe orbity i prowadząc operacje zarezerwowane dotąd dla cięższych obiektów. Szacuje się, że do 2025 roku skala występowania miniaturowych satelitów na najniższych orbitach spadnie do 80 proc. (z 96 proc. w 2016 roku). Przeniesienie tego akcentu ma nastąpić w stronę orbity heliosynchronicznej.
Czytaj też: Brona: wkrótce będziemy gotowi integrować polskie mikrosatelity
Perspektywa szans i ryzyka
Choć optymistyczne założenia analizy rynkowej Euroconsult są poparte licznymi potwierdzonymi danymi i znajdują umocowanie w trendach rynkowych, należy pamiętać, że istnieje w tym zakresie również wiele czynników niepewności. Jednym z tych najogólniej pojmowanych jest sama dynamika rozwoju branży kosmicznej, której wysoki poziom utrudnia prognozowanie w dłuższej perspektywie czasowej. Po drugie, kondycję segmentu lekkich satelitów warunkuje w dużej mierze gęsta sieć silnych zależności branżowych, czego przykładem może być powiązanie z sektorem rakiet kosmicznych.
Jak dotychczas, nierzadko pojawiały się dylematy związane z drugorzędnym traktowaniem ładunków małogabarytowych przy ustalaniu harmonogramów startów i dostępnej przestrzeni z dostawcami ciężkich systemów nośnych. W tej konkurencji uprzywilejowani pozostają operatorzy masywnych, droższych satelitów. Sytuację na korzyść mniejszych operatorów mają zamiar rozwiązać prywatni dostawcy lekkich rakiet kosmicznych, którzy chcą zaoferować swoim klientom niedostępną dotąd elastyczność i swobodę ustalania terminów oraz możliwość częstszego wykonywania startów. Mniej oczywista w tym przypadku jest jednak efektywność kosztowa i techniczna, którą lekkie rakiety w dalszym ciągu wyraźnie przegrywają ze swoimi cięższymi odpowiednikami.
Czytaj też: Lekkie rakiety nośne. Wielkie nadzieje w skromnej oprawie
Co się tyczy samych lekkich instrumentów satelitarnych, ich użytkowanie również pozostaje obarczone typowymi konsekwencjami małej objętości użytkowej. Przyjmują one najczęściej postać limitowanej przestrzeni montażowej, ograniczonych rezerw zasilania i mniejszej efektywności systemów pozyskiwania energii z zewnątrz. W tym przypadku nawet zaawansowana miniaturyzacja i kompresja zasobów nie jest w stanie zapewnić równorzędnego potencjału w rywalizacji z ciężkimi satelitami (biorąc pod uwagę obecne technologie zasilania). Analitycy Euroconsult widzą jednak tutaj możliwości dalszego wydłużania sprawności minisatelitów, poprzez rozwijanie bardziej wydajnych paneli słonecznych i radioizotopowych generatorów termoelektrycznych.
Z kolei przedsiębiorcy oceniający założenia analizy Euroconsult zwracają w jej kontekście uwagę na pewne zbyt optymistyczne wnioski, dotyczące m.in. szans rozwoju małych przedsiębiorstw satelitarnych, które muszą liczyć się ze znacznie wyższymi barierami wejścia na rynek niż uznane marki satelitarne. Przedstawione w raporcie dane zdają się jednak opisywać koszty produkcji jedynie z perspektywy tych przedsiębiorstw, które dysponują już niezbędnym zapleczem.
Niezależnie od wskazanych wątpliwości przewidywany postęp w branży lekkich satelitów pozwoli zaistnieć wielu nowym prywatnym inicjatywom przemysłowym oraz dopiero rozpoczynającym swoje prace narodowym agencjom i programom kosmicznym. Progres w wymiarze miniaturyzacji satelitarnej ma charakter pomostowy, dając również wiele szans rozwoju ośrodkom naukowo-badawczym i młodym inżynierom. Jest to godne odnotowania, zwłaszcza z perspektywy polskich starań o dołączenie do ligi gospodarek posiadających niezależne zaplecze produkcji satelitów.
W staraniach tych niebagatelne znaczenie ma obserwowana ostatnio intensyfikacja inicjatyw prywatnych i komercyjnych. Dość wspomnieć o takich polskich projektach branżowych, jak wielostronna współpraca rodzimych przedsiębiorstw sektora kosmicznego i ośrodków naukowo-badawczych nad pierwszym komercyjnym polskim satelitą (SAT-AIS-PL o masie ok. 40 kg) czy prace nad lekką modułową platformą satelitarną Hypersat (umożliwiającą integrację mikrosatelitów o masie do 60 kg). Oba projekty, ulokowane typowo w segmencie mikrosatelitarnym, niosą w sobie potencjał faktycznego rozszerzenia domeny polskiego przemysłu o zakres integracji niewielkich satelitów, który zapewni kluczowy przyczółek dla dalszego rozwoju branży.
Własne aspiracje spółek pokroju Creotech Instruments, która pełni rolę lidera przy obu wdrożeniach, mogłyby jednak okazać się niewystarczające bez wsparcia instytucji państwowych (nawet pomimo doświadczeń i dorobku zgromadzonego we współpracy z ESA). Warunki takie są jednak stopniowo stwarzane, o czym może świadczyć m.in. uzyskanie przez projekt Hypersat wsparcia Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w kwocie 15 mln złotych. Nacisk na podobne inicjatywy pomocowe został podkreślony także w dokumentach programowych polskiej polityki kosmicznej, ze szczególnym uwzględnieniem Polskiej Strategii Kosmicznej z lutego 2017 roku.
Jednak zaangażowanie państwa nie powinno ograniczać się tylko do asekurowania prywatnych działań. Zminiaturyzowane satelity nowego typu to przede wszystkim łatwiejszy dostęp do zaawansowanych technologii o strategicznym znaczeniu (zwłaszcza w sferze teledetekcji i innych podwójnych zastosowań). Postępy w tej dziedzinie powinny być zatem bacznie obserwowane i aktywnie inspirowane, stanowiąc potencjalną przepustkę na drodze do pozyskania bardziej wymagających umiejętności przemysłowych i narodowej infrastruktury kosmicznej.
Czytaj też: Mikrosatelity – szansa dla polskiego przemysłu kosmicznego?