Как стать специалистом по космосу: портфель перспективных компетенций

IQ Media представляет подкаст о профессиях и компетенциях будущего — «Кем стать, когда вывезу». Эксперты Высшей школы экономики рассказывают о том, чему и где научиться уже сейчас, чтобы быть востребованным через 25-50 лет. Сегодня в эфире выпуск с участием кандидата технических наук, руководителя Центра управления полетами МИЭМ НИУ ВШЕ Дмитрия Абрамешина. 

Вместе с ведущим подкаста кандидатом физико-математических наук Евгением Ребровым Дмитрий Абрамешин рассуждал о перспективах развития космической отрасли и профессий, связанных с космосом. 

Евгений Ребров (Е.Р.) — Мы рады приветствовать наших слушателей, это очередной выпуск подкаста «Кем стать, когда вывезу» и я его ведущий Евгений Ребров, кандидат физико-математических наук, который все еще пытается узнать, какие же они — профессии будущего, кто же они — специалисты будущего, и чему стоит начать учиться прямо сейчас, чтобы через 5, 10, 15 лет остаться востребованным и актуальным. И сегодня мы будем говорить о космосе. Расскажет нам о нем кандидат технических наук, руководитель Центра управления полетами МИЭМ НИУВШЕ Дмитрий Андреевич Абрамешин. Дмитрий, в космос человек отправился в далеком 1961 году. С тех пор прошло уже страшно посчитать сколько лет, а мы по-прежнему говорим, что за космосом будущее. Как и тогда говорили, что все, мы покоряем космос, космос, космос, космос. Есть ли на сегодняшний день какие-то кардинальные изменения в покорении космоса относительно того, что было тогда? В чем сейчас состоит сложность, чтобы космическая наука каким-то образом выстрелила, дала новый скачок, дала новый эффект? И когда же мы уже, наконец, будем на Марсе? 

Дмитрий Абрамешин (Д.А.) — Сейчас активно развивается направление малых космических аппаратов, в частности спутников формата CubeSat — это устройства размером всего около 10×10×10 сантиметров. Постепенно они начинают замещать крупные аппараты. Например, в области дистанционного зондирования Земли на них устанавливаются мультиспектральные камеры, аналогичные тем, что раньше монтировались только на тяжелые спутники массой более тонны. Миниатюризация таких систем позволяет значительно расширить возможности космических исследований.

Малые аппараты уже приносят ощутимую пользу: они ведут мониторинг Земли и атмосферы, занимают минимум места на борту корабля, запускаются в гермоконтейнерах вместе с крупными аппаратами и выводятся на низкие орбиты, в то время как основной носитель продолжает полет дальше — на средние или высокие орбиты в зависимости от задачи.

Развиваются и новые технологии для их работы. Ведутся проекты по созданию бортовых систем с применением искусственного интеллекта, разрабатывается так называемый орбитальный сервер-блокчейн модуль. Кроме того, совместно с партнерами реализуются проекты в области солнечной энергетики — создание новых поколений солнечных панелей.

Иными словами, сегодня именно малые космические аппараты становятся ключевым направлением развития отрасли. На мой взгляд, за ними и будущее освоения космоса.

Е.Р. — То есть мы, в первую очередь, говорим о том, что развиваются спутники и космические аппараты.

Д.А. —  Просто я не занимаюсь пилотируемой космонавтикой, поэтому о пилотируемой говорить сложно. Для подготовки к космическим полетам существуют специальные подразделения, где будущие космонавты проходят долгую и серьезную подготовку. Сейчас планируется запуск новой станции, поскольку Международная космическая станция, скорее всего, постепенно будет выводиться из эксплуатации. Недавно появилась новость, что Россия и США рассматривают возможность затопления МКС в специально выбранной точке Тихого океана.

Конечно, пилотируемая космонавтика остается важнейшим направлением, но до полета на Марс пока еще далеко. Хотелось бы хотя бы выйти за пределы околоземного пространства — на сотни тысяч километров — чтобы лучше понять, что нас там ждет. Информации о дальнем космосе пока крайне мало. Даже крупные аппараты, изучающие электростатические явления, сталкиваются с проблемами: у Земли есть магнитное поле, которое защищает нас от космических частиц, но чем дальше от планеты, тем слабее этот «щит». Из-за радиации или накопления электрических зарядов космические аппараты нередко выходят из строя.

Пока исследования в этой области ограничены: на высокие орбиты запускалось мало миссий, и мы до конца не понимаем все факторы и риски. Поэтому впереди еще очень большая работа.

Е.Р. — В таком случае вернёмся к основной теме наших подкастов «Кем стать, когда вывезу?» Раньше можно было услышать этот вопрос немного в другой формулировке, и многие дети отвечали «Когда я вырасту, я буду космонавтом». Мы понимаем, что космонавтов все-таки единицы, это длительная подготовка, это отдельная категория профессионалов. Но каким специалистом действительно можно стать, чтобы в том числе запускать спутники на орбиту. Какими навыками в первую очередь следует обладать? Чему нужно учиться, чтобы стать профессионалом космической индустрии?

Д.А. — Как и в любой сфере, в космонавтике важны разные профессии. Но, на мой взгляд, ключевая роль всё же принадлежит инженерам. Программисты тоже необходимы, однако их работа в основном сводится к написанию и тестированию кода. Инженеру же приходится решать широкий спектр научных и технических задач: собирать устройства, понимать принцип их работы, владеть навыками пайки, знать материалы, методы испытаний и при этом уметь довести изделие до готового состояния.

Инженерия в космосе объединяет сразу несколько направлений: это и программирование, и телекоммуникации, и радиотехника. С последней сегодня особенно сложно — мало кто глубоко понимает, как работает радио, какие процессы лежат в основе передачи сигнала. Между тем эта область крайне важна.

Недавно один из наших коллег-радиолюбителей продемонстрировал удивительную вещь. Используя простую радиостанцию и старый телефон Nokia без SIM-карты и интернета, он отправил сообщение… на электронную почту. Я сначала не поверил, но через несколько минут получил письмо с текстом, переданным через радиосигнал. Оказалось, что существуют открытые радиосети, которые позволяют пересылать сообщения в интернет. Такие технологии показывают, насколько перспективна радиотехника и почему её нужно развивать.

Мы стараемся дать студентам практический опыт. Уже на третьем курсе бакалавриата у нас открыта специализация по малым космическим аппаратам. Ребята работают с макетами спутников: собирают, программируют, паяют, осваивают все этапы их создания. Особое внимание уделяется микроконтроллерам — это «мозг» любой современной электроники, от телефонов и камер до бортовых систем спутников. Многие знают только Arduino, но на самом деле существует огромное количество более сложных и профессиональных решений, без понимания которых инженеру обойтись нельзя.

Кроме того, мы обучаем студентов обработке данных. Потоки информации с космических аппаратов огромны, и для их анализа нужны как методы искусственного интеллекта, так и классические математические и физические модели. В следующем году мы планируем расширить обучение именно в этих направлениях, чтобы готовить специалистов, способных работать с полным циклом задач — от сборки спутника до анализа данных.

Е.Р. — Дмитрий, насколько мне известно, вы преподаете дисциплину, которая связана с цифровыми двойниками. Что такое цифровые двойники, для чего они нужны, особенно если мы говорим о космической тематике?

Д.А. — Сегодня цифровые двойники играют важнейшую роль в подготовке специалистов. Например, у нас есть совместная программа с Решетневским университетом, где эта технология активно используется.

Цифровой двойник — это виртуальная копия технического устройства, созданная в компьютерной среде. Мы начинаем знакомить с этим понятием ещё школьников — начиная с девятого класса в рамках проектов «Инженерный класс» и «ИТ-класс» в московских школах. Ребят учат, как устроены спутники, как их собирать и программировать.

Для студентов и магистрантов работа с реальным оборудованием часто связана с риском: если навыков недостаточно, можно легко повредить дорогостоящие устройства. Чтобы избежать таких ситуаций, в нашей учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов была создана программа-симулятор — цифровой двойник малого космического аппарата.

Эта система позволяет «собрать» спутник в виртуальной среде, написать для него программный код и протестировать его в имитации полета. Причем это не просто визуализация, где картинка «спутника» красиво летит по экрану. В цифровом двойнике отрабатываются реальные алгоритмы ориентации и стабилизации: студенты учатся управлять положением аппарата, задавать правильные команды, отрабатывать сценарии работы.

Таким образом, прежде чем переходить к «живому железу», студенты проходят полный цикл тренировок в цифровой среде. Это особенно важно, если доступ к реальному оборудованию ограничен или оно находится в другом регионе. Цифровой двойник становится полноценной заменой, позволяя безопасно и эффективно обучать будущих инженеров.

Е.Р. — Ну, то есть, фактически, получается, когда пилотов учат управлять самолетами, вместо того, чтобы их сажать в большой пассажирский какой-то транспорт, есть специальная кабина, в которой все обустроено точно так же, как и в кабине настоящего самолета, но, по крайней мере, нет шансов разбиться?

Д.А. — У пилотов обучение в основном связано с реальными рычагами и механизмами, где важно отработать каждое действие на физическом уровне. В нашем случае цифровые двойники работают иначе: это компьютерные симуляции.

Создать полноценный стенд зачастую гораздо сложнее и затратнее, чем разработать виртуальную модель — онлайн или в виде отдельного приложения для компьютера. При этом цифровой двойник полностью повторяет функции и поведение реального оборудования, позволяя безопасно и эффективно отрабатывать все необходимые действия.

Е.Р. — Дмитрий, вопрос про спутники: какие там перспективы? На что сейчас стоит обратить внимание? За какими технологиями в этой области будущее? Сейчас нужно больше обращать внимание на развитие каких-то спутниковых систем, которые будут позволять за чем-то наблюдать из космоса? Или может быть это спутники, которые каким-то образом будут взаимодействовать с Землей? Может быть, это спутники, которые будут раздавать интернет нам оттуда сверху? Какие технологии вообще будут востребованы в ближайшее время?

Д.А. — Сегодня космическая отрасль требует развития множества технологий. Одно из ключевых направлений — дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ). С помощью спутниковых камер, работающих в разных спектрах, можно определять, какие культуры посеяны на полях, оценивать занятые и свободные площади, а значит — решать задачи для аграрного и промышленного сектора.

Другой перспективный инструмент — АИС-приемники (системы автоматической идентификации судов). Каждый корабль длиной более полутора метров оснащен транспондером, который раз в несколько секунд передает данные о своем положении. На больших расстояниях сигнал может не доходить до наземных станций. Поэтому на орбиту выводят группы малых аппаратов, которые принимают эти сообщения, ретранслируют их на Землю и позволяют строить актуальные карты движения судов. Это делает возможным глобальный мониторинг морских перевозок.

Похожие системы разрабатываются и для отслеживания воздушного транспорта — беспилотников и самолетов. По сути, это аналог популярных сервисов вроде Flightradar, только на спутниковом уровне.

Не менее важное направление — новые солнечные панели на основе перовскитных материалов. Сейчас этим занимаются исследователи по всему миру. В ближайшие два года планируется запуск космического аппарата с такими батареями для проверки их работы в реальных условиях орбиты. Главная трудность — стабильность: перовскиты требуют особых методов инкапсуляции, чтобы выдерживать воздействие космической среды. Наши коллеги-химики и физики разрабатывают материалы, а мы создаем измерительную аппаратуру специально под такие панели, поскольку стандартные приборы здесь не подходят.

Отдельный вектор — двигательные установки для малых спутников. Уже существует множество вариантов: ионные, плазменные и другие. Их нужно тщательно тестировать, чтобы доказать, что даже миниатюрные аппараты могут не только удерживаться на низкой орбите, но и работать на геостационарных или отправляться дальше. Перспектива в том, что CubeSat с таким двигателем сможет совершать межпланетные полеты — вплоть до Марса. Это гораздо дешевле и быстрее, чем запускать крупные аппараты.

Сейчас множество проектов направлены именно на использование малых спутников для миссий к Луне и Марсу. Возможно, в будущем и мы присоединимся к этим программам и отправим собственный аппарат к Красной планете.

Е.Р. — Дмитрий, у меня есть вопрос, который, думаю, слушатели точно захотят услышать. Мы говорим о спутниках, которые выводятся на орбиту и передают данные на Землю. Но часть этой информации может быть закрытой, предназначенной только для определенных пользователей. Возникает логичный вопрос: как сейчас решается проблема безопасности передачи данных от спутников? Используются ли методы шифрования? Ведется ли работа по защите от несанкционированного доступа, чтобы, например, спутниковые снимки стратегически важных объектов не оказались в чужих руках? И еще один момент: готовятся ли сегодня специалисты именно в области космической кибербезопасности? Ведь это направление звучит как крайне актуальное — «космическая безопасность».

Д.А. — Космическая безопасность — действительно одно из ключевых направлений, о котором я раньше не упомянул. Все данные, которые поступают с крупных космических аппаратов, шифруются разными методами, и расшифровать их практически невозможно. Кроме того, у каждого спутника есть свои уникальные идентификаторы: он принимает команды только от «своих» станций. Даже если кто-то попытается подключиться извне, спутник просто не отреагирует. Управление всегда остается исключительно у операторов и партнерских центров.

Сейчас разрабатываются новые подходы к защите информации. Например, орбитальные модули, которые создают резервные RAID-массивы: данные одновременно записываются на несколько независимых носителей. Если один выходит из строя, информацию можно восстановить с других.

Еще одно направление — использование блокчейн-технологий. Спутник формирует кэш всех данных, и если в потоке теряется какой-то бит или байт, система может откатиться, определить сбой и восстановить целостность информации. Это важно и для безопасности передачи, и для сохранности самих данных.

Когда речь идет о малых космических аппаратах, часть снимков передается не через высокочастотные каналы (например, X-диапазон), а по более простым радиоканалам — на частоте около 435 МГц. Фотография кодируется в поток нулей и единиц, который передается на Землю, где он преобразуется обратно в изображение. Иногда из-за помех часть данных теряется, и на снимке появляются пустые полосы. В таких случаях применяются методы восстановительного кодирования, например, код Рида–Соломона, позволяющий восстановить недостающие фрагменты. Конечно, не всегда удаётся воссоздать картинку идеально, но такие технологии активно совершенствуются.

Что касается образования: отдельной подготовки именно «по космической кибербезопасности» у нас пока нет. На факультете кибербезопасности в основном обучают общим методам защиты информации, хотя космическая тематика там тоже частично затрагивается. В других вузах, например в МГТУ им. Баумана, есть отдельные программы по космической безопасности. Но в целом направление развивается пока не так активно, как хотелось бы, хотя его значение очевидно: безопасность должна оставаться действительно безопасной, особенно в космосе.

Е.Р. — Мы сейчас говорили о безопасности передачи данных, а у меня возник другой образ. Спутников на орбите становится всё больше: одни наблюдают за сельским хозяйством, другие отслеживают самолёты или корабли, третьи делают снимки Земли и так далее.

И вот вопрос: что происходит, если эти спутники начинают мешать друг другу? Они ведь могут столкнуться, выйти из строя или даже упасть. На дорогах у нас есть правила движения, знаки, светофоры и ГАИ, которые разбираются в авариях. А как это устроено в космосе? Есть ли там что-то вроде «правил дорожного движения» для спутников, и кто вообще отвечает за безопасность их передвижения?

Д.А. — Со спутниками все устроено довольно сложно. Для них существуют специализированные орбиты и высоты. Когда мы готовим запуск, мы указываем, какая орбита нам нужна. Например, для первых спутников с камерами требовалась солнечно-синхронная орбита — она позволяет аппарату почти все время находиться на солнечной стороне Земли, а значит, получать постоянное освещение для съемки.

Мы передаем свои требования в «Роскосмос», а дальше уже специалисты корпорации рассчитывают, где и как будет выведен спутник, в какой момент он отделится от ракеты-носителя. Этим занимается отдельный большой отдел, где работают профессионалы, которые просчитывают траектории и согласовывают их с международными организациями.

Бывает, конечно, и непредвиденное. Например, в прошлом году произошел сильный выброс плазмы на Солнце. Многие спутники «просели» с орбиты, в том числе наш CubeSat ХСЕ-2. Вместо планируемых 3–5 лет он проработал около полутора-двух и сгорел в атмосфере. У малых аппаратов есть в этом плюс: они находятся на низких орбитах, и когда их «тянет» вниз, они полностью сгорают, не превращаясь в космический мусор.

Помню тот момент: вроде выходной, все шло штатно, высота была нормальной. И вдруг звонок с неизвестного номера: «Здравствуйте, у вас спутник может устроить техногенную катастрофу». Сначала я подумал, что это розыгрыш или мошенники. Но потом перезвонили уже официально и сообщили: спутник начнет сходить с орбиты в течение двух дней, и за ним нужно следить. Было немного обидно, ведь мы завершили основную программу экспериментов, но планировали провести еще несколько дополнительных.

К счастью, случаев столкновения спутников между собой пока не было. Да, фиксировались попадания мелких обломков в МКС, об этом есть публикации. Но прямого столкновения двух действующих аппаратов ещё не случалось. Это связано с тем, что за орбитами следят на международном уровне — свои расчеты ведут и «Роскосмос», и NASA, и другие агентства. Все траектории согласовываются заранее, чтобы минимизировать риски.

Е.Р. — Просто фантазируя на тему, что спутников будет становиться все больше и больше, я представляю себе картину, что вот практически все небо будет закрыто спутниками, и они будут как-то между собой разлетаться по каким-то своим траекториям, по каким-то им одним ведомым правилам.

Д.А. — Ходила байка, что когда-то компания Coca-Cola хотела запустить огромный спутник с надписью «Coca-Cola», чтобы ее логотип был виден из космоса. Правда это или нет — неизвестно, подтверждений я не нашел.

Возвращаясь к теме: сейчас вокруг Земли летает огромное количество спутников, и многие из них уже считаются космическим мусором. Это серьезная проблема, которой занимаются ученые, студенты и даже школьники. Появляются идеи создания «ловцов мусора» и других систем очистки орбиты.

Однако на практике все непросто: чтобы подлететь к объекту на орбите, нужно развивать скорости, близкие к первой или второй космической, а это очень сложно. На одной из конференций обсуждалась идея выстрелить сеткой для захвата мусора. Эксперт тогда задал простой вопрос: «А куда летит сетка после захвата? Инерция никуда не исчезает — вы тоже станете космическим мусором».

Таким образом, проблема космического мусора существует, и ее решение требует серьезной инженерной и научной работы. Ученые активно занимаются этим направлением, разрабатывают методы очистки орбиты и безопасного взаимодействия с объектами на высокой скорости.

Хотелось бы увидеть, как эта проблема решается на практике, но пока бороться с космическим мусором крайне сложно. Одно из перспективных направлений — оснащать спутники двигателями, независимыми от основной системы. Когда аппарат выходит из строя, двигатель автоматически выводит его либо к Земле, где он сгорит в атмосфере, либо отправится на удаленную орбиту.

Однако второй вариант тоже непрост: трудно точно просчитать траекторию, и есть риск столкновения с другими объектами на орбите. 

Е.Р. — То есть, получается, как мы только что выяснили, что существует серьезная проблема с космическим мусором, поэтому стать специалистом по уборке космического мусора – это тоже перспективно.

Д.А. — Актуальное направление, да, но там очень сложно, там прямо математика очень сильно нужна.

Е.Р. — В таком случае нужно учиться многому, а где этому учат, мы уже тоже, в общем-то, знаем. Дмитрий, вот сейчас, когда у меня в голове возникла фантазия на тему того, что можно какой-то космический летательный аппарат обустроить каким-то специальным космическим оружием, чтобы сбивать космический мусор. Вопрос, который возник у меня в связи с этим: я же естественно представил себе картинку из какого-то фантастического космического кинофильма. Насколько вообще кинематограф, искусство, как таковое, фантазии, писатели-фантасты позволяют нам, как ученым, смотреть на шаг, на два шага вперед в будущее, предугадывать что-то или, основываясь на их фантазиях, создавать что-то новое? Но ведь действительно, 100 лет назад мы только мечтали о том, чтобы оказаться в космосе, а сегодня для нас запуск спутника – это что-то повседневное.

Д.А. — Я бы не назвал космические запуски повседневной деятельностью — это очень сложный процесс, требующий долгой подготовки. Когда ракета заправляется, это один из самых критичных этапов: нужно скоммутировать все оборудование, проверить системы, и при этом за каждым шагом стоит огромная команда специалистов.

Что касается фильмов о космосе, сложно говорить о полной натурности. Например, «Марсианин» — хороший и интересный фильм, но там есть моменты, которые сильно упрощены или приукрашены. Например, марсоход Curiosity и его вертолет функционировали, но ветра на Марсе не такие сильные, как показано в фильме. А вот проблема с песком действительно существует: солнечные панели марсохода постепенно засыпались, и это ограничило его работу.

Фильм «Интерстеллар» тоже берет многое из реальных исследований и примеров, привлекая учёных и инженеров для большей достоверности. Но все равно нужно понимать: часть деталей художественно приукрашена или основана на предположениях. Поэтому, чтобы разобраться, что реально возможно, а что нет, важно изучать факты и исследования самостоятельно.

В науке и космосе всегда остается много неизвестного — некоторые идеи, например, о многомерности, мы пока не можем подтвердить. Возможно, это откроют наши дети или внуки. Мне бы хотелось успеть узнать это самому.

Е.Р. — Еще один вопрос, Дмитрий. Раз мы заговорили о том, что сто лет назад космос был какой-то далекой перспективой, о которой мы мечтали, на сегодняшний день космос уже так или иначе исследуется: и спутники отправляются, и марсоходы продолжают работать. Есть ли какой-то долгосрочный план вот через 5 лет, через 10 лет, через 20 лет — как изменится способ взаимодействия человека с космосом?

Д.А. — Отвечать за человечество я, конечно, не могу, но могу поделиться своим взглядом. Одно из самых амбициозных направлений сейчас — проект «Луна», то есть создание российской лунной станции с жилыми модулями для постоянного присутствия человека. Луна всё ещё слабо изучена, и даже роботам трудно выполнять полный спектр функций, поэтому присутствие людей необходимо.

Если говорить о более близких и практичных проектах, это, например, спутниковый интернет. Он особенно важен для труднодоступных регионов, куда невозможно проложить обычные сети, например в Арктике, где мониторится Северный морской путь.

Что касается Марса — это, конечно, пока фантастика. Полёт на Красную планету займет долгое время, будут огромные перегрузки, и пока сложно представить, как это будет организовано для человека. Возможно, в будущем появятся капсулы, где человек будет погружаться в сон на время полёта, как в некоторых фильмах.

Космический туризм уже развивается: сегодня можно совершить полёт в космос за сравнительно доступные деньги. Ракетные носители остаются дорогими, но туристы проходят облегченную подготовку, которая позволяет им выдерживать перегрузки и безопасно перемещаться в невесомости. Это маленькие, но реальные шаги к тому, чтобы обычные люди могли побывать на Луне или, в перспективе, на Марсе.

Е.Р. — Да, тут недавно и кино в космосе снимали, в общем-то, и режиссер, и актриса отправлялись в космическое пространство, что тоже говорит о том, что в целом космос нам покоряется все больше и больше. Ну, а для того, чтобы фантастику делать реальностью, нужно много и усердно учиться, об этом мы и напоминаем.

Д.А. — Особенно рекомендую олимпиады, курируемые Высшей школой экономики. Там вы можете участвовать как индивидуально, так и в команде, например, собирать собственный спутник.

Такие олимпиады дают возможность не только проявить себя, но и получить новые знания, а также подготовиться к поступлению в ВУЗ. К участникам предоставляются консультации, есть курсы, и все это помогает изучать новые направления, открывать что-то новое и полезное. Я всем обязательно рекомендую принимать участие — это интересно и полезно. 

Е.Р. — Я напомню, это был подкаст «Кем стать, когда вывезу». Первое космическое путешествие вокруг Земли длилось 108 минут. Наш подкаст был чуточку короче, поэтому если у кого-то из наших слушателей еще остались вопросы, смело пишите их в комментариях, чтобы мы встретились с Дмитрием снова и эти вопросы подробно разобрали.

Редактировала Юлия Пéтрович