CO TO SĄ CUBESATS?

Send

Jedną z cech charakterystycznych współczesnej ery eksploracji kosmosu jest jej otwarta natura. W przeszłości przestrzeń kosmiczna była granicą dostępną tylko dla dwóch federalnych agencji kosmicznych - NASA i sowieckiego programu kosmicznego. Ale dzięki pojawieniu się nowych technologii i środków obniżających koszty sektor prywatny jest teraz w stanie świadczyć własne usługi uruchamiania.

Ponadto instytucje akademickie i małe kraje są teraz w stanie budować własne satelity w celu prowadzenia badań atmosferycznych, obserwacji Ziemi i testowania nowych technologii kosmicznych. Jest to tak zwany CubeSat, zminiaturyzowany satelita, który pozwala na opłacalne badania przestrzeni kosmicznej.

Struktura i projekt:

Znane również jako nanosatelity, CubeSats są zbudowane w standardowych wymiarach 10 x 10 x 11 cm (1 U) i mają kształt kostki (stąd nazwa). Są skalowalne, dostępne w wersjach, które mierzą 1U, 2U, 3U lub 6U z boku i zwykle ważą mniej niż 1,33 kg (3 funty) na U. CubSats o wielkości 3U lub więcej są największe, składają się z trzech zestawionych jednostek wzdłuż cylindra otaczającego je wszystkie.

W ostatnich latach zaproponowano większe platformy CubeSat, w tym model 12U (20 x 20 x 30 cm lub 24 x 24 x 36 cm), który rozszerzyłby możliwości CubeSats poza badania akademickie i testowanie nowych technologii, obejmując bardziej złożoną naukę i cele obrony narodowej.

Głównym powodem miniaturyzacji satelitów jest obniżenie kosztów ich rozmieszczenia oraz fakt, że można je rozmieścić w nadmiarze pojemności pojazdu startowego. Zmniejsza to ryzyko związane z misjami, w których dodatkowy ładunek musi być przywrócony do wyrzutni, a także umożliwia zmiany ładunku w krótkim czasie.

Można je również wykonać przy użyciu dostępnych na rynku komponentów elektronicznych (COTS), co sprawia, że ich tworzenie jest stosunkowo łatwe. Ponieważ misje CubeSats są często wykonywane na bardzo niskich orbitach ziemskich (LEO) i doświadczają ponownego wejścia w atmosferę już po kilku dniach lub tygodniach, promieniowanie można w dużej mierze zignorować i można zastosować standardową elektronikę użytkową.

CubeSats są zbudowane z czterech określonych rodzajów stopu aluminium, aby zapewnić taki sam współczynnik rozszerzalności cieplnej jak pojazd nośny. Satelity są również powlekane ochronną warstwą tlenku wzdłuż każdej powierzchni, która styka się z pojazdem nośnym, aby zapobiec ich przyspawaniu na zimno przez ekstremalne obciążenia.

Składniki:

CubeSats często niosą ze sobą wiele komputerów pokładowych w celu prowadzenia badań, a także zapewniają kontrolę postawy, pędniki i komunikację. Zazwyczaj dołączane są inne komputery pokładowe, aby zapewnić, że główny komputer nie jest przeciążony wieloma strumieniami danych, ale wszystkie inne komputery pokładowe muszą być w stanie się z nim połączyć.

Zazwyczaj komputer główny jest odpowiedzialny za przekazywanie zadań innym komputerom - takich jak kontrola pozycji, obliczenia manewrów orbitalnych i zadania planowania. Mimo to podstawowy komputer może być wykorzystywany do zadań związanych z ładunkiem, takich jak przetwarzanie obrazu, analiza danych i kompresja danych.

Zminiaturyzowane elementy zapewniają kontrolę położenia, zwykle składającą się z kół reakcyjnych, magnetorquerów, silników odrzutowych, śledzenia gwiazd, czujników Słońca i Ziemi, czujników prędkości kątowej oraz odbiorników GPS i anten. Wiele z tych systemów jest często używanych w połączeniu w celu zrekompensowania braków i zapewnienia poziomów nadmiarowości.

Czujniki słońca i gwiazdy służą do wskazywania kierunkowego, a wykrywanie Ziemi i jej horyzontu jest niezbędne do prowadzenia badań Ziemi i atmosfery. Czujniki słoneczne są również przydatne w zapewnieniu, że CubsSat jest w stanie zmaksymalizować dostęp do energii słonecznej, co jest podstawowym sposobem zasilania CubeSat - gdzie panele słoneczne są wbudowane w zewnętrzną obudowę satelitów.

Tymczasem napęd może przybierać różne formy, z których wszystkie obejmują zminiaturyzowane silniki odrzutowe zapewniające niewielkie ilości określonego impulsu. Satelity podlegają również promieniowaniu cieplnemu od Słońca, Ziemi i odbitego światła słonecznego, nie wspominając już o cieple generowanym przez ich komponenty.

Jako takie, CubeSat są również dostarczane z warstwami izolacyjnymi i grzejnikami, aby zapewnić, że ich elementy nie przekraczają zakresów temperatur i że nadmiar ciepła może zostać rozproszony. Często dołączane są czujniki temperatury w celu monitorowania niebezpiecznych wzrostów lub spadków temperatury.

W komunikacji CubeSat może polegać na antenach działających w pasmach VHF, UHF lub L-, S-, C- i X. Są one głównie ograniczone do 2 W mocy ze względu na mały rozmiar i ograniczoną pojemność CubeSat. Mogą to być anteny śrubowe, dipolowe lub jednokierunkowe jednokierunkowe, chociaż opracowywane są bardziej wyrafinowane modele.

Napęd:

CubeSats opierają się na wielu różnych metodach napędu, co z kolei doprowadziło do postępu w wielu technologiach. Najczęstsze metody obejmują zimny gaz, chemiczny, elektryczny napęd i żagle słoneczne. Pędnik zimnego gazu opiera się na gazie obojętnym (takim jak azot), który jest przechowywany w zbiorniku i uwalniany przez dyszę w celu wytworzenia ciągu.

W miarę rozwoju metod napędu jest to najprostszy i najbardziej użyteczny system, z którego może korzystać CubeSat. Jest to również jeden z najbezpieczniejszych, ponieważ większość zimnych gazów nie jest lotna ani żrąca. Mają jednak ograniczoną wydajność i nie mogą wykonywać manewrów o wysokim impulsie. Dlatego są one powszechnie stosowane w systemach kontroli położenia, a nie jako główne silniki napędowe.

Chemiczne układy napędowe polegają na reakcjach chemicznych w celu wytworzenia gazu o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze, który jest następnie kierowany przez dyszę w celu wytworzenia ciągu. Mogą być płynne, stałe lub hybrydowe i zwykle sprowadzają się do kombinacji chemikaliów w połączeniu z katalizatorami lub utleniaczem. Pędniki te są proste (i dlatego można je łatwo zminiaturyzować), mają niskie zapotrzebowanie na moc i są bardzo niezawodne.

Napęd elektryczny polega na energii elektrycznej w celu przyspieszenia naładowanych cząstek do dużych prędkości - inaczej. Pędniki Halla, pędy jonowe, impulsowe plazmy plazmowe itp. Ta metoda jest korzystna, ponieważ łączy wysoki impuls właściwy z wysoką wydajnością, a komponenty można łatwo zminiaturyzować. Wadą jest to, że wymagają one dodatkowej mocy, co oznacza albo większe ogniwa słoneczne, większe baterie i bardziej złożone systemy zasilania.

Żagle słoneczne są również stosowane jako metoda napędu, co jest korzystne, ponieważ nie wymaga paliwa. Żagle słoneczne można również skalować do własnych wymiarów CubSat, a mała masa satelity powoduje większe przyspieszenie dla danego obszaru żagla słonecznego.

Jednak żagle słoneczne nadal muszą być dość duże w porównaniu do satelity, co czyni złożoność mechaniczną dodatkowym źródłem potencjalnej awarii. W tej chwili niewiele CubeSats zastosowało żagiel słoneczny, ale pozostaje on obszarem potencjalnego rozwoju, ponieważ jest to jedyna metoda, która nie potrzebuje paliwa lub zawiera niebezpieczne materiały.

Ponieważ pędniki są zminiaturyzowane, stwarzają one szereg technicznych wyzwań i ograniczeń. Na przykład wektorowanie ciągu (tj. Kardana) jest niemożliwe przy mniejszych silnikach. W związku z tym wektorowanie należy osiągnąć za pomocą wielu dysz do niesymetrycznego pchania lub za pomocą elementów uruchamianych w celu zmiany środka masy w stosunku do geometrii CubeSat.

Historia:

Od 1999 roku Politechnika Stanowa Kalifornii i Uniwersytet Stanforda opracowały specyfikacje CubeSat, aby pomóc uniwersytetom na całym świecie w przeprowadzaniu badań kosmicznych i eksploracji. Termin „CubeSat” został wymyślony w celu oznaczenia nano-satelitów, które są zgodne ze standardami opisanymi w specyfikacjach projektowych CubeSat.

Zostały one opracowane przez profesora inżynierii kosmicznej Jordi Puig-Suari i Boba Twiggsa z Wydziału Aeronautyki i Astronautyki Uniwersytetu Stanforda. Od tego czasu stała się międzynarodowym partnerem ponad 40 instytutów, które opracowują nanosatelity zawierające ładunki naukowe.

Początkowo, pomimo niewielkich rozmiarów, instytucje akademickie były ograniczone w tym, że zmuszone były czekać, niekiedy lata, na możliwość uruchomienia. Zostało to w pewnym stopniu naprawione przez opracowanie Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (inaczej znany jako P-POD) przez California Polytechnic. P-POD są montowane w pojeździe nośnym i przenoszą CubeSats na orbitę i rozmieszczają je po otrzymaniu odpowiedniego sygnału z pojazdu nośnego.

Według JordiPuig-Suari celem tego było „skrócenie czasu rozwoju satelity do ram czasowych kariery studenta i wykorzystanie możliwości startu z dużą liczbą satelitów”. Krótko mówiąc, P-POD zapewniają, że wiele CubeSats może być uruchomionych w danym momencie.

Kilka firm zbudowało CubeSats, w tym Boeing, producent dużych satelitów. Jednak większość rozwoju pochodzi ze środowisk akademickich, z mieszanym zapisem udanej orbity CubeSats i nieudanych misji. Od samego początku CubeSats były używane w niezliczonych aplikacjach.

Na przykład zostały wykorzystane do rozmieszczenia automatycznych systemów identyfikacji (AIS) do monitorowania statków morskich, rozmieszczenia zdalnych czujników na Ziemi, do testowania długoterminowej żywotności uwięzi kosmicznych, a także do przeprowadzania eksperymentów biologicznych i radiologicznych.

W środowisku akademickim i naukowym wyniki te są udostępniane, a zasoby udostępniane poprzez bezpośrednią komunikację z innymi programistami i udział w warsztatach CubeSat. Ponadto program CubeSat przynosi korzyści firmom prywatnym i rządom, zapewniając niedrogi sposób latania ładunków w kosmosie.

W 2010 r. NASA stworzyła „CubeSat Launch Initiative”, która ma na celu zapewnienie usług uruchamiania dla instytucji edukacyjnych i organizacji non-profit, aby mogły przenieść swoje CubeSats w kosmos. W 2015 r. NASA zainicjowała swoje Cube Quest Challenge w ramach programów Centennial Challenges.

Z pulą nagród w wysokości 5 milionów dolarów, ta konkurencja motywacyjna miała na celu wspieranie tworzenia małych satelitów zdolnych do działania poza niską orbitą Ziemi - szczególnie na orbicie księżycowej lub w kosmosie. Pod koniec zawodów zostaną wybrane maksymalnie trzy zespoły, które rozpoczną projekt CubeSat na pokładzie misji SLS-EM1 w 2018 roku.

Misja lądownika InSight NASA (zaplanowana na 2018 r.), Obejmie również dwa CubeSaty. Przeprowadzą one przelot Marsa i zapewnią dodatkową komunikację przekaźnikową na Ziemię podczas wejścia i lądowania lądownika.

Eksperymentalny CubeSat o nazwie Mars Cube One (MarCO) będzie pierwszą misją kosmiczną opartą na technologii CubeSat. Użyje płaskiego panelu anteny X o dużym wzmocnieniu do przesyłania danych do Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) NASA - który następnie przekaże je na Ziemię.

Zmniejszenie systemów kosmicznych i zwiększenie ich przystępności cenowej jest jedną z cech charakterystycznych epoki ponownej eksploracji kosmosu. Jest to również jeden z głównych powodów, dla których branża NewSpace rozwijała się skokowo w ostatnich latach. A przy większym poziomie uczestnictwa widzimy większe zyski, jeśli chodzi o badania, rozwój i eksplorację.

Napisaliśmy wiele artykułów o CubeSat dla Space Magazine. Oto Stowarzyszenie Planetarne, które uruchomi trzy oddzielne żagle słoneczne, pierwsze międzyplanetarne żagle Cube do uruchomienia na NASA 2016 InSight Mars Lander, Making CubeSats do Astronomy, Co można zrobić z Cubesat ?, Te Cubesaty mogą użyć silników plazmowych do opuszczenia naszego układu słonecznego.

Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji na temat CubeSat, sprawdź oficjalną stronę główną CubeSat.

Nagraliśmy odcinek Astronomy Cast o promie kosmicznym. Posłuchaj tutaj, odcinek 127: The US Space Shuttle.

Źródła: