CO JSOU CUBESATS?

Send

Jednou z definujících charakteristik moderní éry výzkumu vesmíru je jeho otevřená povaha. V minulosti byl vesmír hranicí přístupnou pouze dvěma federálním kosmickým agenturám - NASA a sovětskému vesmírnému programu. Ale díky vývoji nových technologií a snižování nákladů je nyní soukromý sektor schopen poskytovat své vlastní startovací služby.

Kromě toho jsou nyní akademické instituce a malé země schopny budovat své vlastní satelity za účelem provádění atmosférického výzkumu, pozorování Země a testování nových vesmírných technologií. Je to tzv. Miniaturizovaný satelit CubeSat, který umožňuje nákladově efektivní výzkum vesmíru.

Struktura a design:

Také známý jako nanosatelity, CubeSats jsou postaveny na standardní rozměry 10 x 10 x 11 cm (1 U) a jsou tvarovány jako kostky (odtud název). Jsou škálovatelné, přicházejí ve verzích, které měří 1U, 2U, 3U nebo 6U na straně, a obvykle váží méně než 1,33 kg na 3 U. podélně s válcem obklopujícím všechny.

V posledních letech byly navrženy větší platformy CubeSat, které zahrnují model 12U (20 x 20 x 30 cm nebo 24 x 24 x 36 cm), který by rozšířil možnosti CubeSats nad rámec akademického výzkumu a testování nových technologií a zahrnoval složitější vědu. a cíle národní obrany.

Hlavním důvodem miniaturizace satelitů je snížení nákladů na rozmístění a protože mohou být nasazeny v nadměrné kapacitě spouštěcího vozidla. Tím se sníží rizika spojená s misemi, kde musí být na nosný člun přepraven další náklad, a v krátké době také umožňuje změny nákladu.

Mohou být také vyrobeny pomocí komerčních elektronických komponentů (COTS), které jsou poměrně snadno vyrobitelné. Vzhledem k tomu, že mise CubeSats jsou často prováděny na velmi nízkých orbitách Země (LEO) a dochází k opětovnému nasazení atmosféry po pouhých dnech nebo týdnech, záření může být do značné míry ignorováno a může být použita standardní elektronika spotřebitele.

CubeSats jsou vyrobeny ze čtyř specifických typů hliníkové slitiny, aby bylo zajištěno, že mají stejný koeficient tepelné roztažnosti jako startovací vozidlo. Satelity jsou také potaženy ochrannou oxidovou vrstvou podél jakéhokoli povrchu, který přichází do styku s nosným vozidlem, aby se zabránilo extrémnímu namáhání svařováním na místo.

Komponenty:

CubeSats často nese několik palubních počítačů za účelem provádění výzkumu, jakož i zajištění kontroly polohy, thrusterů a komunikací. Obvykle jsou zahrnuty další palubní počítače, aby se zajistilo, že hlavní počítač nebude přetížen více datovými toky, ale všechny ostatní palubní počítače musí být schopny s ním propojit.

Primární počítač je obvykle zodpovědný za delegování úkolů na jiné počítače - jako je řízení polohy, výpočty orbitálních manévrů a plánování úkolů. Primární počítač může být přesto použit pro úlohy související s užitečným zatížením, jako je zpracování obrazu, analýza dat a komprese dat.

Miniaturizované komponenty zajišťují řízení polohy, obvykle sestávající z reakčních kol, magnetorquerů, raket, hvězdných sledovačů, senzorů Slunce a Země, senzorů úhlové rychlosti a GPS přijímačů a antén. Mnoho z těchto systémů se často používá v kombinaci, aby kompenzovalo nedostatky a poskytlo úroveň redundance.

Senzory Slunce a Hvězdy se používají k zajištění směrového směřování, zatímco snímání Země a jejího horizontu je nezbytné pro provádění studií Země a atmosféry. Sluneční senzory jsou také užitečné při zajišťování toho, že CubsSat je schopen maximalizovat svůj přístup ke sluneční energii, která je primárním prostředkem pro napájení CubeSat - kde jsou solární panely začleněny do vnějšího krytu satelitů.

Mezitím pohon může přijít v mnoha podobách, z nichž všechny zahrnují miniaturizované trysky poskytující malá množství specifického impulzu. Satelity také podléhají radiačnímu ohřevu ze Slunce, Země a odraženého slunečního světla, nemluvě o teplu generovaném jejich komponenty.

CubeSat také přichází s izolačními vrstvami a ohřívači, které zajišťují, že jejich komponenty nepřekračují jejich teplotní rozsahy a že přebytečné teplo může být odváděno. Senzory teploty jsou často součástí monitorů pro nebezpečné zvýšení nebo pokles teploty.

Pro komunikaci se CubeSat mohou spolehnout na antény, které pracují v pásmech VHF, UHF nebo L-, S-, C- a X. Většinou jsou omezeny na 2W energie kvůli malé velikosti a omezené kapacitě CubeSat. Mohou to být helikální, dipólové nebo monodirekční monopolní antény, ačkoli se vyvíjejí sofistikovanější modely.

Pohon:

CubeSats spoléhají na mnoho různých metod pohonu, což následně vedlo k pokroku v mnoha technologiích. Nejběžnější metody zahrnují studený plyn, chemický, elektrický pohon a sluneční plachty. Thruster studeného plynu se spoléhá na inertní plyn (jako dusík), který je uložen v nádrži a uvolněn skrz trysku pro vytvoření tahu.

Jak postupují metody pohonu, jedná se o nejjednodušší a nejužitečnější systém, který dokáže CubeSat použít. Je také jedním z nejbezpečnějších, protože většina studených plynů není těkavá ani korozivní. Mají však omezený výkon a nemohou dosáhnout vysokých impulsních manévrů. Proto jsou obvykle používány v systémech řízení polohy, a ne jako hlavní trysky.

Chemické pohonné systémy spoléhají na chemické reakce a vytvářejí vysokotlaký vysokoteplotní plyn, který je pak veden tryskou, aby vytvořil tah. Mohou být kapalné, pevné nebo hybridní a obvykle sestávají z kombinace chemikálií kombinovaných s katalyzátory nebo oxidačními činidly. Tyto trysky jsou jednoduché (a lze je proto snadno miniaturizovat), mají nízké požadavky na energii a jsou velmi spolehlivé.

Elektrický pohon se spoléhá na elektrickou energii k urychlení nabitých částic na vysoké rychlosti - aka. Hallovy tryskové trysky, iontové trysky, pulzní plazmové trysky atd. Tato metoda je výhodná, protože kombinuje vysoký specifický impuls s vysokou účinností a komponenty lze snadno miniaturizovat. Nevýhodou je, že vyžadují další energii, což znamená buď větší solární články, větší baterie a složitější energetické systémy.

Solární plachty se také používají jako metoda pohonu, což je výhodné, protože nevyžaduje pohonnou hmotu. Solární plachty lze také přizpůsobit vlastním rozměrům CubSat a malá hmotnost satelitu vede k většímu zrychlení v dané oblasti sluneční plachty.

Solární plachty však musí být ve srovnání se satelitem stále dost velké, což z mechanické složitosti činí další zdroj potenciálního selhání. V současné době má jen málo společností CubeSats solární plachtu, ale zůstává oblastí možného rozvoje, protože je to jediná metoda, která nepotřebuje pohonnou hmotu nebo obsahuje nebezpečné materiály.

Protože jsou trysky miniaturizované, vytvářejí několik technických výzev a omezení. Například, vektor tahu (tj. Gimbals) je nemožný s menšími poháněči. Proto musí být vektorování namísto toho dosaženo použitím více trysek k asymetrickému tahu nebo pomocí ovládaných komponent ke změně těžiště vzhledem k geometrii CubeSat.

Dějiny:

Počínaje rokem 1999 Kalifornská polytechnická státní univerzita a Stanfordská univerzita vytvořily specifikace CubeSat, aby pomohly univerzitám po celém světě provádět kosmické vědy a průzkumy. Termín „CubeSat“ byl vytvořen tak, aby označoval nano-satelity, které dodržují standardy popsané v konstrukčních specifikacích CubeSat.

Ty byly stanoveny profesorem letectví a kosmonautiky Jordim Puig-Suari a Bobem Twiggsem z Katedry aeronautiky a astronautiky na Stanfordské univerzitě. Od té doby se z něj stalo mezinárodní partnerství více než 40 ústavů, které vyvíjejí nano-satelity obsahující vědecká užitečná zatížení.

Zpočátku, přes jejich malou velikost, akademické instituce byly omezené v tom oni byli nucení čekat, někdy roky, na příležitost k zahájení. To bylo do jisté míry napraveno vývojem poly-PicoSatellite Orbitální Deployer (jinak známý jako P-POD), California Polytechnic. P-POD jsou připevněny k odpalovacímu vozidlu a přenášejí CubeSats na oběžné dráze a vysílají je, jakmile je z odpalovacího vozidla přijat správný signál.

Účelem toho bylo podle JordiPuig-Suari „zkrátit dobu vývoje satelitu na časový rámec kariéry studenta a využít příležitosti k vypuštění s velkým počtem satelitů.“ Stručně řečeno, P-POD zajišťují, že mnoho CubeSats lze spustit kdykoli.

Několik společností postavilo CubeSats, včetně Boeingu s velkým satelitem. Většina vývoje však pochází z akademické obce se smíšeným záznamem úspěšně obíhajících CubeSats a neúspěšných misí. Od svého vzniku se CubeSats používá pro nespočet aplikací.

Používají se například k nasazení automatických identifikačních systémů (AIS) pro monitorování mořských plavidel, nasazení vzdálených senzorů Země, k testování dlouhodobé životaschopnosti vesmírných postrojů, jakož ik provádění biologických a radiologických experimentů.

V rámci akademické a vědecké komunity jsou tyto výsledky sdíleny a zdroje jsou k dispozici přímou komunikací s ostatními vývojáři a účastí na seminářích CubeSat. Program CubeSat navíc přináší výhody soukromým firmám a vládám tím, že poskytuje levný způsob létání užitečných nákladů ve vesmíru.

V roce 2010 NASA vytvořila „CubeSat Launch Initiative“, jejímž cílem je poskytovat spouštěcí služby vzdělávacím a neziskovým organizacím, aby mohly své CubeSats dostat do vesmíru. V roce 2015 zahájila NASA výzvu Cube Quest Challenge v rámci svých programů Výročních výzev.

Tato soutěžní pobídka s výhrou ve výši 5 milionů dolarů měla za cíl podpořit vytvoření malých satelitů schopných provozu za nízkou oběžnou dráhou Země - konkrétně na měsíční oběžné dráze nebo v hlubokém vesmíru. Na konci soutěže budou vybrány až tři týmy, které zahájí svůj návrh CubeSat na palubě mise SLS-EM1 v roce 2018.

Mise NASA InSight lander (naplánovaná na spuštění v roce 2018), bude také zahrnovat dvě CubeSats. Ty provedou průlet Marsu a poskytnou další přenosové komunikace se Zemí během přistání a přistání landeru.

Tato experimentální CubeSat, označená jako Mars Cube One (MarCO), bude první vesmírnou misí, která se spoléhá na technologii CubeSat. Použije rentgenovou anténu s plochým panelem s vysokým ziskem k přenosu dat na průzkumný orbiter Mars Mars Conconnaissance Orbiter (MRO), který je poté přenese na Zemi.

Zmenšení a zlevnění vesmírných systémů je jednou z charakteristických znaků doby obnoveného průzkumu vesmíru. Je to také jeden z hlavních důvodů, proč odvětví NewSpace v posledních letech roste mílovými kroky. A s vyšší úrovní účasti vidíme větší návratnost, pokud jde o výzkum, vývoj a průzkum.

Napsali jsme mnoho článků o CubeSat for Space Magazine. Zde je Planetární společnost, která uvede na trh tři oddělené solární plachty, první meziplanetární krychlové šupiny, které budou spuštěny na NASA 2016 InSight Mars Lander, díky čemuž bude CubeSats dělat astronomii, co můžete udělat s krychlí?

Pokud chcete získat více informací o CubeSat, podívejte se na oficiální domovskou stránku CubeSat.

Zaznamenali jsme epizodu obsazení astronomie Cast o vesmírné raketoplánu. Poslouchejte zde, Epizoda 127: US Space Shuttle.

Zdroje: