ЩО ТАКЕ CUBESATS?

Send

Однією з визначальних характеристик сучасної епохи дослідження космосу є відкритий характер. У минулому космос був кордоном, який був доступний лише двом федеральним космічним агентствам - НАСА та Радянській космічній програмі. Але завдяки появі нових технологій та заходів щодо зниження витрат, приватний сектор тепер здатний надавати власні послуги із запуску.

Крім того, академічні установи та малі країни тепер здатні будувати власні супутники для проведення атмосферних досліджень, проведення спостережень за Землею та тестування нових космічних технологій. Це те, що відомо як CubeSat, мініатюризований супутник, який дозволяє проводити економічно вигідні космічні дослідження.

Структура та дизайн:

Також відомий як наносателіти, CubeSats побудовані до стандартних розмірів 10 х 10 х 11 см (1 U) і мають форму кубів (звідси і назва). Вони є масштабованими і надходять у версіях, які вимірюють 1U, 2U, 3U або 6Us на стороні, і зазвичай важать менше 1,33 кг (3 фунти) на U. поздовжньо з циліндром, що охоплює їх усіх.

Останніми роками були запропоновані більші платформи CubeSat, які включають модель 12U (20 х 20 х 30 см або 24 х 24 х 36 см), яка розширить можливості CubeSats за межами академічних досліджень та тестування нових технологій, включаючи більш складні науки і національні оборонні цілі.

Основною причиною мініатюризації супутників є зниження вартості розгортання, а тому, що вони можуть бути розгорнуті в надмірну потужність ракет-носія. Це зменшує ризики, пов’язані з місіями, коли додаткові вантажі повинні бути прикуті до пускової установки, а також дозволяють проводити зміни вантажу в найкоротші терміни.

Вони також можуть бути виготовлені за допомогою комерційних позаштатних електронних компонентів (COTS), що робить їх порівняно простими у створенні. Оскільки місії CubeSats часто проводяться на дуже низьких орбітах Землі (LEO) і переживають атмосферне повторне випромінювання через кілька днів або тижнів, радіацію можна значною мірою проігнорувати і використовувати стандартну електроніку споживачів.

CubeSats побудовані з чотирьох конкретних типів алюмінієвого сплаву для забезпечення того, що вони мають той же коефіцієнт теплового розширення, що і ракет-носій. Супутники також покриті захисним оксидним шаром уздовж будь-якої поверхні, яка контактує з ракетним апаратом, щоб запобігти їх холодному зварюванню на місце при сильному напруженні.

Компоненти:

CubeSats часто переносять кілька бортових комп'ютерів для проведення досліджень, а також забезпечують контроль положення, тяги та комунікації. Зазвичай, інші бортові комп'ютери включаються для того, щоб основний комп'ютер не був перевантажений кількома потоками даних, але всі інші бортові комп'ютери повинні мати можливість взаємодіяти з ним.

Зазвичай первинний комп'ютер відповідає за делегування завдань іншим комп'ютерам - таким, як контроль положення, обчислення орбітальних маневрів та завдання планування. Однак основний комп'ютер може використовуватися для завдань, пов’язаних із корисним навантаженням, таких як обробка зображень, аналіз даних та стиснення даних.

Мініатюрні компоненти забезпечують управління положенням, зазвичай складається з реакційних коліс, магнітокоркерів, тяги, зірових трекерів, датчиків Сонця та Землі, датчиків кутового швидкості та GPS-приймачів та антен. Багато з цих систем часто використовуються в поєднанні, щоб компенсувати недоліки та забезпечити рівні надмірності.

Датчики Сонця та зірки використовуються для забезпечення спрямованого спрямування, а зондування Землі та її горизонту має важливе значення для проведення досліджень Землі та атмосфери. Датчики сонця також корисні для того, щоб CubsSat максимізував доступ до сонячної енергії, що є основним засобом живлення CubeSat - там, де сонячні батареї вбудовані у зовнішній кожух супутників.

Тим часом, привід може набувати різної форми, всі вони включають мініатюрні рушії, що забезпечують невелику кількість конкретного імпульсу. Супутники також піддаються радіаційному нагріванню від Сонця, Землі та відбитого сонячного світла, не кажучи вже про тепло, що генерується їх компонентами.

Таким чином, CubeSat також оснащений шарами ізоляції та нагрівачами, які забезпечують, щоб їх компоненти не перевищували їх температурні діапазони, а також надходило зайве тепло. Датчики температури часто включаються для спостереження за небезпечними підвищеннями або перепадами температури.

Для зв'язку CubeSat можуть покластися на антени, які працюють у VHF, UHF або L-, S-, C- і X-діапазонах. Вони здебільшого обмежені 2 Вт потужності через невеликий розмір і обмежену потужність CubeSat. Вони можуть бути спіральними, дипольними або монодиректними монопольними антенами, хоча розробляються більш складні моделі.

Рух:

CubeSats покладаються на багато різних способів приведення в рух, що в свою чергу призвело до прогресу в багатьох технологіях. Найпоширеніші методи включають холодний газ, хімічну, електричну установку та сонячні вітрила. Холодна газова тяга покладається на інертний газ (як азот), який зберігається в баку і випускається через сопло для створення тяги.

Що стосується методів приведення в рух, це найпростіша і найкорисніша система, яку може використовувати CubeSat. Він також є одним з найбезпечніших, оскільки більшість холодних газів не є ні летючими, ні корозійними. Однак вони мають обмежену продуктивність і не можуть досягти високих імпульсних маневрів. Отже, чому вони, як правило, використовуються в системах управління ставленням, а не як основні тяги.

Системи хімічного двигуна покладаються на хімічні реакції для отримання високотемпературного високотемпературного газу, який потім направляють через сопло для створення тяги. Вони можуть бути рідкими, твердими або гібридними, і зазвичай збиваються до комбінації хімічних речовин у поєднанні з каталізаторами або окислювачем. Ці тяги прості (і тому їх легко мініатюрувати), мають низькі вимоги до потужності та дуже надійні.

Електричний привід покладається на електричну енергію для прискорення заряджених частинок до високих швидкостей - ака. Дроселі Хол-ефекту, іонні дроселі, імпульсні плазмові дроселі тощо. Цей метод є вигідним, оскільки поєднує високий питомий імпульс з високою ефективністю, а компоненти можна легко мініатюрувати. Недоліком є те, що вони потребують додаткової потужності, що означає або більші сонячні батареї, і більші батареї, і більш складні системи живлення.

Сонячні вітрила також використовуються як спосіб приведення в рух, що вигідно, оскільки для нього не потрібне пальне. Сонячні вітрила також можна масштабувати до власних розмірів CubSat, а невелика маса супутника призводить до збільшення прискорення для даної області сонячного вітрила.

Однак сонячні вітрила все-таки повинні бути досить великими порівняно із супутником, що робить механічну складність додатковим джерелом потенційного виходу з ладу. У цей час мало хто CubeSats використовує сонячне вітрило, але це залишається областю потенційного розвитку, оскільки це єдиний метод, який не потребує палива або містить небезпечні матеріали.

Оскільки штовхачі мініатюрні, вони створюють кілька технічних проблем та обмежень. Наприклад, вектори тяги (тобто гімбали) неможливі при менших тягах. Таким чином, векторність повинна бути досягнута за допомогою використання декількох форсунок, які асиметрично висуваються, або використовуваних приведених в дію компонентів для зміни центру мас відносно геометрії CubeSat.

Історія:

Починаючи з 1999 року, Каліфорнійський політехнічний державний університет та Стенфордський університет розробили технічні характеристики CubeSat, щоб допомогти університетам у всьому світі виконувати космічні науки та розвідки. Термін "CubeSat" був введений для позначення наносупутників, які відповідають стандартам, описаним у проектних специфікаціях CubeSat.

Вони були викладені професорами аерокосмічної техніки Джорді Пуйг-Суарі та Боб Твіггсом з кафедри аеронавтики та космонавтики Університету Стенфорда. З тих пір вона стала міжнародним партнерством понад 40 інститутів, які розробляють наносупутники, що містять наукові корисні навантаження.

Спочатку, незважаючи на їх невеликий розмір, академічні установи були обмежені тим, що вони були змушені чекати, іноді років, на можливість запуску. Це було виправлено певною мірою розвитком орбітального розгортальника Poly-PicoSatellite (інакше відомого як P-POD) від Каліфорнійської політехніки. P-POD встановлені на ракетному апараті і переносять CubeSats на орбіту і розгортають їх, як тільки надходить належний сигнал від пускового апарату.

За словами ЙордіПуіг-Суарі, метою цього було "скоротити час розробки супутника до часових рамків кар'єри студента коледжу та використовувати можливості запуску з великою кількістю супутників". Коротше кажучи, P-POD гарантують, що багато CubeSats можуть бути запущені в будь-який момент часу.

Кілька компаній побудували CubeSats, в тому числі великий виробник супутників Boeing. Однак більшість розробок відбувається з наукових шкіл, зі змішаним записом успішно орбітованих CubeSats та провалених місій. З часу їх створення CubeSats використовували для незліченних програм.

Наприклад, вони використовувались для розгортання систем автоматичної ідентифікації (AIS) для моніторингу морських суден, розгортання віддалених датчиків Землі, для тестування довгострокової життєздатності космічних тетерів, а також для проведення біологічних та рентгенологічних експериментів.

У межах академічної та наукової спільноти ці результати поділяються, а ресурси доступні, спілкуючись безпосередньо з іншими розробниками та відвідуючи семінари CubeSat. Крім того, програма CubeSat приносить користь приватним фірмам та урядам, забезпечуючи недорогий спосіб польоту корисних вантажів у космосі.

У 2010 році NASA створила «CubeSat Launch Initiative», яка має на меті надання послуг з запуску для навчальних закладів та неприбуткових організацій, щоб вони могли отримати свої CubeSats у космос. У 2015 році NASA ініціювала Cube Quest Challenge як частину своїх програм Centennial Challenges.

Маючи призовий гаманець у розмірі 5 мільйонів доларів, ця заохочувальна конкуренція мала на меті сприяти створенню невеликих супутників, здатних працювати за межами низької орбіти Землі - зокрема на місячній орбіті або глибокому космосі. Наприкінці змагань буде обрано до трьох команд, які будуть запускати свій дизайн CubeSat на борту місії SLS-EM1 у 2018 році.

Місія посадки InSight НАСА (планується запустити в 2018 році) також буде включати два CubeSats. Вони здійснюватимуть проліт Марса та забезпечуватимуть додаткові ретрансляції на Землю під час входу та посадки наземного пристрою.

Цей експериментальний CubeSat розміром Mars Cube One (MarCO) стане першою місією з глибокого космосу, яка спирається на технологію CubeSat. Він використовуватиме рентгенівську антенну з високим коефіцієнтом коригування для передачі даних на Марс розвідувальної орбіти НАСА (MRO), яка потім передасть їх на Землю.

Зростання космічних систем меншими та доступнішими є однією з ознак епохи оновлених космічних досліджень. Це також є однією з головних причин того, що галузь NewSpace в останні роки зростає як невдовзі. І з більшим рівнем участі ми спостерігаємо більшу віддачу, коли йдеться про дослідження, розробки та дослідження.

Ми написали багато статей про CubeSat для Space Magazine. Ось планетарне суспільство запустить три окремі сонячні вітрила, перші міжпланетні кубові сади, які будуть запускатись в 2016 році в НАСА Марс-десант, зробивши CubeSats астрономією, що ви можете зробити з кубесатом?

Якщо вам потрібна додаткова інформація на CubeSat, перегляньте офіційну домашню сторінку CubeSat.

Ми записали епізод Астрономічної ролі про космічний човник. Слухайте тут, Епізод 127: Космічний човник у США.

Джерела: