ČO Sú TO CUBESATS?

Send

Jednou z definujúcich charakteristík modernej éry prieskumu vesmíru je jej otvorená povaha. V minulosti bol vesmír hranicou prístupnou iba pre dve federálne vesmírne agentúry - NASA a sovietsky vesmírny program. Avšak vďaka vývoju nových technológií a znižovaniu nákladov je teraz súkromný sektor schopný poskytovať svoje vlastné štartovacie služby.

Okrem toho sú teraz akademické inštitúcie a malé krajiny schopné budovať svoje vlastné satelity na účely vykonávania atmosférického výskumu, pozorovania Zeme a testovania nových vesmírnych technológií. To je známe ako CubeSat, miniaturizovaný satelit, ktorý umožňuje nákladovo efektívny vesmírny výskum.

Štruktúra a dizajn:

CubeSats, tiež známy ako nanosatelity, je postavený na štandardné rozmery 10 x 10 x 11 cm (1 U) a má tvar kociek (odtiaľ názov). Sú škálovateľné a dodávajú sa vo verziách, ktoré merajú na strane 1 U, 2 U, 3 U alebo 6 U na strane, a zvyčajne vážia menej ako 1,33 kg na 3 U. pozdĺžne, pričom ich všetky obklopujú valce.

V posledných rokoch boli navrhnuté väčšie platformy CubeSat, ktoré zahŕňajú model 12U (20 x 20 x 30 cm alebo 24 x 24 x 36 cm), ktorý by rozšíril možnosti CubeSats nad rámec akademického výskumu a testovania nových technológií a zahŕňal zložitejšiu vedu. a ciele národnej obrany.

Hlavným dôvodom miniaturizácie satelitov je zníženie nákladov na nasadenie a preto, že sa dajú nasadiť v nadmernej kapacite štartovacieho vozidla. Znižuje sa tým riziko spojené s misiami, pri ktorých sa musí na nosný čln priviesť ďalší náklad, a v krátkom čase to umožňuje aj zmeny nákladu.

Môžu sa vyrábať aj pomocou komerčných elektronických komponentov, ktoré sú bežne dostupné (COTS), vďaka čomu je ich výroba porovnateľne jednoduchá. Keďže misie CubeSats sa často uskutočňujú na veľmi malých obežných dráhach Zeme (LEO) a skúsenosti s atmosférickým návratom po niekoľkých dňoch alebo týždňoch, je možné žiarenie do značnej miery ignorovať a môže sa použiť štandardná elektronika pre spotrebiteľa.

CubeSats sú vyrobené zo štyroch špecifických typov hliníkovej zliatiny, aby sa zabezpečilo, že majú rovnaký koeficient tepelnej rozťažnosti ako štartovacie vozidlo. Satelity sú tiež potiahnuté ochrannou vrstvou oxidu pozdĺž akéhokoľvek povrchu, ktorý prichádza do styku s nosným člnom, aby sa zabránilo extrémnemu namáhaniu pri zváraní za studena.

Komponenty:

CubeSats často prepravujú viac palubných počítačov kvôli uskutočňovaniu výskumu, ako aj zabezpečovaniu riadenia polohy, pohonných jednotiek a komunikácií. Zvyčajne sú zahrnuté ďalšie palubné počítače, aby sa zabezpečilo, že hlavný počítač nebude preťažený viacerými dátovými tokmi, ale všetky ostatné palubné počítače s ním musia byť schopné prepojiť sa.

Primárny počítač je zvyčajne zodpovedný za delegovanie úloh na iné počítače - napríklad riadenie polohy, výpočty orbitálnych manévrov a plánovanie úloh. Primárny počítač sa napriek tomu môže používať na úlohy súvisiace s užitočným zaťažením, ako je spracovanie obrazu, analýza údajov a kompresia údajov.

Miniaturizované komponenty zabezpečujú riadenie polohy, zvyčajne pozostávajúce z reakčných kolies, magnetorquers, thrusters, trackerov hviezd, senzorov Slnka a Zeme, senzorov uhlovej rýchlosti a GPS prijímačov a antén. Mnohé z týchto systémov sa často používajú v kombinácii s cieľom kompenzovať nedostatky a zabezpečiť úroveň redundancie.

Slnečné a hviezdne senzory sa používajú na zabezpečenie smerového smerovania, zatiaľ čo snímanie Zeme a jej horizontu je nevyhnutné na uskutočnenie zemských a atmosférických štúdií. Slnečné senzory sú tiež užitočné pri zabezpečovaní toho, že CubsSat je schopný maximalizovať svoj prístup k slnečnej energii, ktorá je primárnym prostriedkom napájania CubeSat - kde sú solárne panely zabudované do vonkajšieho plášťa satelitov.

Medzitým môže pohon nadobudnúť niekoľko foriem, z ktorých všetky zahŕňajú miniaturizované poháňače, ktoré poskytujú malé množstvo špecifického impulzu. Satelity sú tiež vystavené radiálnemu ohrevu zo Slnka, Zeme a odrazeného slnečného svetla, nehovoriac o teplom generovanom ich komponentmi.

CubeSat preto obsahuje aj izolačné vrstvy a ohrievače, ktoré zaisťujú, že ich komponenty neprekročia svoje teplotné rozsahy a že nadmerné teplo sa môže rozptýliť. Snímače teploty sú často súčasťou monitorovania nebezpečného zvýšenia alebo poklesu teploty.

Pri komunikácii sa CubeSat môžu spoľahnúť na antény, ktoré pracujú v pásmach VHF, UHF alebo L-, S-, C- a X. Väčšinou sú obmedzené na 2W príkon kvôli malej veľkosti a obmedzenej kapacite CubeSat. Môžu to byť špirálové, dipólové alebo monodirezné monopolné antény, aj keď sa vyvíjajú sofistikovanejšie modely.

Pohon:

CubeSats sa spolieha na mnoho rôznych metód pohonu, čo následne viedlo k pokroku v mnohých technológiách. Najbežnejšie metódy zahŕňajú studený plyn, chemikálie, elektrický pohon a solárne plachty. Hnací plyn so studeným plynom sa spolieha na inertný plyn (ako je dusík), ktorý sa ukladá v nádrži a uvoľňuje sa cez dýzu, aby sa vytvoril ťah.

S postupujúcimi metódami pohonu ide o najjednoduchší a najužitočnejší systém, ktorý dokáže CubeSat použiť. Je tiež jedným z najbezpečnejších, pretože väčšina studených plynov nie je prchavá ani korozívna. Majú však obmedzený výkon a nemôžu dosiahnuť vysoké impulzné manévre. Preto sa všeobecne používajú v systémoch na kontrolu polohy a nie ako hlavné hnacie ústrojenstvo.

Chemické pohonné systémy sa spoliehajú na chemické reakcie pri výrobe vysokotlakového vysokoteplotného plynu, ktorý sa potom vedie dýzou, aby sa vytvoril ťah. Môžu byť kvapalné, tuhé alebo hybridné a zvyčajne prichádzajú do styku s chemikáliami kombinovanými s katalyzátormi alebo oxidačným činidlom. Tieto trysky sú jednoduché (a preto sa dajú ľahko miniaturizovať), majú nízke požiadavky na energiu a sú veľmi spoľahlivé.

Elektrický pohon sa spolieha na elektrickú energiu na urýchlenie nabitých častíc na vysoké rýchlosti - tzv. Hall-efustory, ionizátory, pulzné plazmové trysky atď. Táto metóda je výhodná, pretože kombinuje vysoký špecifický impulz s vysokou účinnosťou a komponenty sa dajú ľahko miniaturizovať. Nevýhodou je, že vyžadujú dodatočnú energiu, čo znamená buď väčšie solárne články, väčšie batérie a komplexnejšie energetické systémy.

Slnečné plachty sa používajú aj ako spôsob pohonu, čo je výhodné, pretože nevyžaduje pohonnú látku. Solárne plachty môžu byť tiež prispôsobené vlastným rozmerom CubSat a malá hmotnosť satelitu vedie k väčšej akcelerácii pre danú oblasť solárnych plachiet.

Solárne plachty však musia byť stále dosť veľké v porovnaní so satelitom, čo robí z mechanickej zložitosti ďalší zdroj potenciálneho zlyhania. V súčasnosti má len málo spoločností CubeSats solárnu plachtu, zostáva však oblasťou potenciálneho rozvoja, pretože je to jediná metóda, ktorá nepotrebuje pohonné látky alebo obsahuje nebezpečné materiály.

Pretože sú trysky miniaturizované, spôsobujú niekoľko technických problémov a obmedzení. Napríklad vektorovanie ťahu (t. J. Gimbaly) je nemožné pri menších tryskách. Preto sa musí vektoring namiesto toho dosiahnuť použitím viacerých trysiek na asymetrický nápor alebo pomocou ovládaných komponentov na zmenu ťažiska vzhľadom na geometriu CubeSat.

História:

Začiatkom roku 1999 Kalifornská polytechnická štátna univerzita a Stanfordská univerzita vyvinuli špecifikácie CubeSat, aby pomohli univerzitám na celom svete vykonávať vesmírnu vedu a výskum. Termín „CubeSat“ bol vytvorený tak, aby označoval nano-satelity, ktoré dodržiavajú normy opísané v konštrukčných špecifikáciách CubeSat.

Tieto boli stanovené profesormi leteckého inžinierstva Jordi Puig-Suari a Bobom Twiggsom z Katedry aeronautiky a astronautiky na Stanfordskej univerzite. Odvtedy sa stala medzinárodným partnerstvom viac ako 40 ústavov, ktoré vyvíjajú nano-satelity obsahujúce vedecké užitočné zaťaženie.

Akademické inštitúcie boli spočiatku napriek svojej malej veľkosti obmedzené tým, že boli nútené čakať, niekedy roky, na príležitosť na spustenie. Toto sa do istej miery napravilo vývojom poly-PicoSatellite Orbitálnej Deployer (inak známy ako P-POD), spoločnosťou California Polytechnic. P-POD sú namontované na odpaľovacom vozidle a prenášajú CubeSats na obežnú dráhu a nasadia ich, keď je zo štartovacieho vozidla prijatý správny signál.

Účelom tohto bolo podľa JordiPuig-Suari „skrátiť čas vývoja satelitov na časový rámec kariéry študenta a využiť príležitosti na spustenie pomocou veľkého počtu satelitov.“ Stručne povedané, P-POD zaisťujú, že veľa CubeSats môže byť spustených kedykoľvek v danom čase.

Niekoľko spoločností postavilo CubeSats vrátane veľkého výrobcu satelitov Boeing. Väčšina vývoja však pochádza z akademickej obce so zmiešaným záznamom o úspešne obiehajúcich CubeSats a neúspešných misiách. Od svojho vzniku sa CubeSats používa pre nespočetné množstvo aplikácií.

Používajú sa napríklad na nasadenie automatických identifikačných systémov (AIS) na monitorovanie morských plavidiel, nasadenie diaľkových senzorov Zeme, na testovanie dlhodobej životaschopnosti vesmírnych sietí, ako aj na vykonávanie biologických a rádiologických experimentov.

V rámci akademickej a vedeckej obce sa tieto výsledky zdieľajú a zdroje sa sprístupňujú priamou komunikáciou s ostatnými vývojármi a účasťou na seminároch CubeSat. Program CubeSat navyše prináša výhody súkromným firmám a vládam poskytovaním lacného spôsobu preletenia užitočného zaťaženia vo vesmíre.

V roku 2010 NASA vytvorila „CubeSat Launch Initiative“, ktorej cieľom je poskytovať štartovacie služby vzdelávacím inštitúciám a neziskovým organizáciám, aby mohli preniesť svoje CubeSats do vesmíru. V roku 2015 NASA iniciovala svoju výzvu na úlohu Cube Quest Challenge v rámci svojich programov Výročné výzvy.

Cieľom tejto motivačnej súťaže bola peňažná výhra vo výške 5 miliónov dolárov, ktorej cieľom bolo podporiť vytvorenie malých satelitov schopných prevádzky za nízkou obežnou dráhou Zeme - konkrétne na lunárnej obežnej dráhe alebo v hlbokom vesmíre. Na konci súťaže budú vybrané až tri tímy, aby v roku 2018 spustili svoj dizajn CubeSat na palubu misie SLS-EM1.

Misia NASA pre pristátie (naplánovaná na spustenie v roku 2018) bude zahŕňať aj dve CubeSats. Tieto uskutočnia prelet Marsu a poskytnú ďalšie reléové komunikácie so Zemou počas vstupu a pristátia landera.

Táto experimentálna CubeSat s označením Mars Cube One (MarCO) bude prvou misiou v kozmickom priestore, ktorá sa bude spoliehať na technológiu CubeSat. Na prenos údajov na prieskumný orbiter Mars Mars (MRO) s využitím ziskového a plochého panela X-band bude využívať vysoko ziskové antény s plochým panelom, ktoré ich potom prenesú na Zem.

Zmenšenie a zlacnenie vesmírnych systémov je jednou z charakteristických čŕt obdobia obnoveného prieskumu vesmíru. Je to tiež jeden z hlavných dôvodov, prečo sa odvetvie NewSpace v posledných rokoch rozrastalo míľovými krokmi. A s vyššou mierou účasti vidíme väčšie výnosy, pokiaľ ide o výskum, vývoj a prieskum.

Napísali sme veľa článkov o službe CubeSat for Space Magazine. Táto planetárna spoločnosť uvádza na trh tri samostatné slnečné plachty, prvé medziplanetárne kockové štepy, ktoré sa majú spustiť na NASA 2016 InSight Mars Lander, vďaka čomu môže CubeSats robiť astronómiu. Čo môžete urobiť s kubesatom?

Ak chcete získať viac informácií na webe CubeSat, pozrite si oficiálnu domovskú stránku CubeSat.

Nahrali sme epizódu Obsadenia astronómie o vesmírnej raketopláne. Počúvajte tu, Episode 127: The US Shuttle.

zdroj: