Космический эксперимент «Качка» включен в программу экспериментов на Международной космической станции.
Международная космическая станция предназначена для экспериментов для наблюдения Земли, для астрономических экспериментов по наблюдению различных космических объектов и для проведения внутри и снаружи станции. Для последних часто нужен режим «микрогравитации» – невесомости «высокого качества».
Для экспериментов по наблюдения Земли и космических объектов необходимо точно навести наблюдательные приборы и достаточно долго удерживать их в одном и том же положении. Но на станции живут космонавты, которые передвигаются по станции, занимаются физкультурой (особенно популярны беговая дорожка и велотренажеры). На станции постоянно включены вентиляторы, чтобы люди на станции не задохнулись. Так же на МКС постоянно перекачивается по трубам топливо, вода, поворачиваются солнечные батареи и антенны, работают другие механизмы. Все это вместе приводит к тому, что станция постоянно дрожит.
Для проведения экспериментов в режиме микрогравитации предусмотрены специальные сеансы тишины, во время которых отключают большую часть механизмов МКС, а космонавты обычно в это время спят. Ясно, что такие сеансы тишины не могут быть длительными, а наблюдения космоса и Земли необходимо вести постоянно. Вибрации станции приводят к снижению резкости полученных изображений и ухудшают результаты исследований. Поэтому необходимо знать, как колеблются приборы, установленные на станции.
Важность исследований вибраций на МКС понята давно и к сегодняшнему дню проведено несколько экспериментов как российскими космонавтами и американские астронавтами. Во всех этих экспериментах устанавливались в разных частях станции акселерометры – измерители линейных ускорений. Акселерометры обладают двумя главными особенностями. Во-первых, они реагируют только на линейные смещения – обычно один датчик регистрирует смещения в одном заданном направлении. Во-вторых, хорошо регистрируются вибрации высокой частоты, когда ускорения велики. Медленные же колебания с той же амплитудой регистрируются гораздо хуже.
Величины линейных ускорений – именно тот параметр, который позволяет судить о качестве режима микрогравитации, но для проведения наблюдений Земли или космоса более важны угловые ускорения – «покачивания» станции. Напрямую с помощью одиночного акселерометра такие колебания не измерить. Некоторые представления об угловых колебаниях (покачиваниях) можно получить, проведя одновременные измерения на нескольких акселерометрах установленных в разных частях станции. Ответ можно получить, приложив результаты к компьютерной модели поведения механической конструкции МКС. Результаты будут сильно зависеть и от мест установки датчиков, и от компьютерной модели станции.
Инновационная компании «Гаскол» резидент космического кластера Фонда Сколково, предложила поставить эксперимент по прямому измерению угловых колебаний МКС. Для проведения этого эксперимента, который получил название «Качка», предполагается установить несколько приборов, каждый из которых независимо определяет свою ориентацию относительно инерциальной системы координат. Самую точную и всегда доступную на МКС инерциальную систему координат задают звезды. Поэтому в качестве приборов предлагается использовать звездные датчики ориентации. Звездный датчик – это прибор содержащий «фотокамеру», которая фотографирует звездное небо, и по рисунку «созвездий» с высокой точностью определяет, куда направлен ее объектив.
Сегодня звездные датчики ориентации являются неотъемлемой частью любого космического аппарата. Первый звездный датчик был установлен еще на Спутнике-3 запущенном в мае 1958 года. (На Спутнике-1 не было никаких приборов, кроме радиопередатчика. На Спутнике-2 летела Лайка, в определении ориентации этого аппарата не было необходимости. А Спутник-3 – первый серьезный научный космический аппарат и без звездного датчика он работать не мог.)
За пятьдесят лет космической эры конструкции звездных датчиков претерпели значительные изменения, а их характеристики значительно улучшились. Датчики, устанавливаемые на современных космических аппаратах, имеют точность 1-2 угловые секунды и выполняют определения направления 1 раз в секунду. Но для эксперимента «Качка» такой точности и такой частоты определения ориентации недостаточно. Требуется принципиально новый тип приборов. Прототип такого высокоточного звездного датчика был разработан сотрудниками ООО «Гаскол» и ГАИШ МГУ. Точность данного звездного датчика 0.1 угловой секунды, а направление с такой точностью определяется 10 раз в секунду.
На рисунке показан предварительный вид прибора, который будет устанавливаться на МКС. Он состоит их двух высокоточных звездных датчиков, которые представляют собой телескопы диаметром 10 см, направленных под углом 90 градусов друг к другу, а также из блоков электроники для обработки изображения. Эти приборы предполагается устанавливать на «универсальные рабочие места» на внешней поверхности МКС, для установки предназначены фигурное основание и выступающая сбоку рукоятка.
Предполагается, что сначала будет установлен один такой измерительный прибор на Служебный модуль Российского сегмента МКС и в течение года будут проведены его всесторонние испытания. После чего на МКС доставят второй прибор, который установят на один из соседних модулей Российского сегмента МКС. Два прибора позволят не только определять «покачивания» станции, но и обнаруживать ее крутильные и изгибные колебания. Эксперимент планируется начать в 2017 году. Предполагаемая его длительность – 2 года.
23 июня 2014 года космический эксперимент «Качка» вместе с двумя другими экспериментами официально включен в «Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте на МКС».