MITä OVAT CUBESATS?

Send

Yksi avaruustutkimuksen nykyajan määrittelevistä piirteistä on sen avoin luonne. Aikaisemmin avaruus oli raja, johon pääsi vain kahdessa liittovaltion avaruusjärjestössä - NASAssa ja Neuvostoliiton avaruusohjelmassa. Uuden tekniikan ja kustannussäästötoimenpiteiden ansiosta yksityinen sektori pystyy nyt tarjoamaan omia laukaisupalveluitaan.

Lisäksi akateemiset instituutiot ja pienet maat kykenevät nyt rakentamaan omia satelliittejaan ilmakehätutkimuksen, Maan havaintojen tekemisen ja uuden avaruustekniikan testaamiseksi. Se on ns. CubeSat, miniatyrisoitu satelliitti, joka mahdollistaa kustannustehokkaan avaruustutkimuksen.

Rakenne ja suunnittelu:

Tunnetaan myös nimellä nanosatelliitit. CubeSats on rakennettu vakiomitoille 10 x 10 x 11 cm (1 U) ja on muotoiltu kuutioiksi (tästä nimi). Ne ovat skaalautuvia, saatavana versioina, jotka mittaavat 1U, 2U, 3U tai 6Us sivulta ja tyypillisesti painavat vähemmän kuin 1,33 kg (3 lbs) U. Uutiset pituussuunnassa sylinterillä, joka peittää ne kaikki.

Viime vuosina on ehdotettu suurempia CubeSat-alustoja, joihin sisältyy 12U-malli (20 x 20 x 30 cm tai 24 x 24 x 36 cm), joka laajentaisi CubeSatin mahdollisuuksia akateemisen tutkimuksen ja uusien tekniikoiden testaamisen lisäksi monimutkaisemman tieteen sisällyttämiseksi ja kansallisen puolustuksen tavoitteet.

Tärkein syy satelliittien pienentämiseen on vähentää käyttöönottokustannuksia ja koska niitä voidaan käyttää yli kantoraketin kapasiteettia. Tämä vähentää operaatioihin liittyviä riskejä, joissa ylimääräinen rahti on taattava kantorakettiin, ja mahdollistaa myös lastin muutokset lyhyellä varoitusajalla.

Ne voidaan myös valmistaa käyttämällä kaupallisia off-the-shelf (COTS) -elektroniikkakomponentteja, mikä tekee niistä suhteellisen helppoja luoda. Koska CubeSats-tehtävät tehdään usein erittäin matalaan maapallon kiertoradalle (LEO) ja ilmakehän paluu tapahtuu vain päivien tai viikkojen kuluttua, säteily voidaan suurelta osin sivuuttaa ja käyttää tavallista kuluttajaluokan elektroniikkaa.

CubeSats on rakennettu neljästä erityyppisestä alumiiniseoksesta sen varmistamiseksi, että niillä on sama lämpölaajenemiskerroin kuin kantorakeilla. Satelliitit on myös päällystetty suojaavalla oksidikerroksella mitä tahansa pintaa, joka on kosketuksissa kantorakettien kanssa, estämään niiden kylmähitsaus paikalleen äärimmäisestä rasituksesta.

Komponentit:

CubeSatsilla on usein useita ajoneuvoja tietokoneissa tutkimuksen suorittamiseksi sekä asennonhallinta, työntövoimat ja viestintä. Tyypillisesti mukana on myös muut ajoneuvoissa olevat tietokoneet sen varmistamiseksi, että päätietokonetta ei kuormiteta useilla tietovirroilla, vaan kaikkien muiden koneessa olevien tietokoneiden on kyettävä olemaan yhteydessä siihen.

Tyypillisesti ensisijainen tietokone on vastuussa tehtävien siirtämisestä muille tietokoneille - kuten asennonhallinta, kiertoradan laskutoimitukset ja ajoitetut tehtävät. Ensisijaista tietokonetta voidaan silti käyttää hyötykuormaan liittyviin tehtäviin, kuten kuvankäsittelyyn, tietojen analysointiin ja tietojen pakkaamiseen.

Pienikokoiset komponentit tarjoavat asennonhallinnan, joka koostuu yleensä reaktiopyöristä, magneettikyselyistä, potkurista, tähtiseurantalaitteista, aurinko- ja maa-antureista, kulmanopeuden antureista sekä GPS-vastaanottimista ja antenneista. Monia näistä järjestelmistä käytetään usein yhdistelmänä puutteiden korjaamiseksi ja redundanssitasojen aikaansaamiseksi.

Auringon- ja tähti-antureita käytetään suunnan osoittamiseen, kun taas maan ja sen horisontin tunnistaminen on välttämätöntä maan ja ilmakehän tutkimusten suorittamiseksi. Auringonanturit ovat hyödyllisiä myös sen varmistamisessa, että CubsSat pystyy maksimoimaan sen saatavuuden aurinkoenergiaan, mikä on ensisijainen keino virrata CubeSatia - missä aurinkopaneelit sisällytetään satelliittien ulkokuoreen.

Samanaikaisesti työntövoima voi olla useissa muodoissa, joihin kaikkiin sisältyy pienikokoisia työntövoimia, jotka tarjoavat pieniä määriä spesifistä impulssia. Satelliitteja lämmitetään myös auringosta, maasta ja heijastuneesta auringonvalosta, puhumattakaan niiden komponenttien tuottamasta lämmöstä.

Sellaisenaan CubeSatin mukana tulee myös eristyskerroksia ja lämmittimiä, jotta voidaan varmistaa, että niiden komponentit eivät ylitä lämpötila-alueitaan ja että ylimääräinen lämpö voidaan kuluttaa. Lämpötila-antureita on usein mukana seuraamaan vaarallisia lämpötilan nousuja tai pudotuksia.

Viestinnässä CubeSat's voi luottaa antenneihin, jotka toimivat VHF-, UHF- tai L-, S-, C- ja X-kaistoilla. CubeSatin pienestä koosta ja rajallisesta kapasiteetista johtuen ne ovat enimmäkseen rajoitettu 2 W: n tehoon. Ne voivat olla kierteisiä, dipolisia tai yksisuuntaisia monopoliantenneja, vaikkakin kehittyneempiä malleja kehitetään.

Koneistus:

CubeSats luottaa moniin erilaisiin käyttömenetelmiin, mikä puolestaan on johtanut edistykseen monissa tekniikoissa. Yleisimpiä menetelmiä ovat kylmä kaasu, kemikaalit, sähkökäyttö ja aurinkopurjeet. Kylmän kaasun ohjain luottaa inerttiin kaasuun (kuten typpeen), joka varastoidaan säiliöön ja vapautetaan suuttimen läpi työntövoiman tuottamiseksi.

Kun kuljetusmenetelmät menevät, se on yksinkertaisin ja hyödyllisin järjestelmä, jota CubeSat voi käyttää. Se on myös yksi turvallisimmista, koska suurin osa kylmistä kaasuista ei ole haihtuvia eikä syövyttäviä. Niiden suorituskyky on kuitenkin rajoitettu, eivätkä ne pysty saavuttamaan suuria impulssiliikkeitä. Siksi niitä käytetään yleensä asennonvalvontajärjestelmissä, ei pääpotkurina.

Kemialliset käyttövoimajärjestelmät luottavat kemiallisiin reaktioihin korkeapaineisen, korkean lämpötilan kaasun tuottamiseksi, joka sitten johdetaan suuttimen läpi työntövoiman aikaansaamiseksi. Ne voivat olla nestemäisiä, kiinteitä tai hybridejä, ja ne voivat yleensä tulla kemikaalien yhdistelmään yhdistettynä katalysaattoriin tai hapettimeen. Nämä työntövoimat ovat yksinkertaisia (ja siksi ne voidaan pienentää helposti), niillä on alhaiset tehotarpeet ja ne ovat erittäin luotettavia.

Sähkökäyttö vetoaa sähköenergiaan varautuneiden hiukkasten kiihdyttämiseksi suurille nopeuksille - aka. Hall-efektipotkijat, ionitroottorit, pulssi-plasmapotkurit jne. Tämä menetelmä on hyödyllinen, koska siinä yhdistyvät korkea ominaisimpulssi ja korkea hyötysuhde, ja komponentit voidaan helposti pienentää. Haittapuolena on, että ne vaativat lisävirtaa, mikä tarkoittaa joko suurempia aurinkokennoja, suurempia akkuja ja monimutkaisempia energiajärjestelmiä.

Aurinkopurjeja käytetään myös työntömenetelmänä, mikä on hyödyllistä, koska se ei edellytä ponneainetta. Auringon purjeet voidaan myös skaalata CubSatin omiin mittoihin, ja satelliitin pieni massa johtaa suurempaan kiihtyvyyteen tietyllä aurinkopurjeen alueella.

Aurinkopurjeiden on kuitenkin edelleen oltava melko suuria satelliittiin verrattuna, mikä tekee mekaanisesta monimutkaisuudesta lisälähteen mahdolliselle vikaantumiselle. Tällä hetkellä muutama CubeSats on käyttänyt aurinkopurjea, mutta se on edelleen potentiaalisen kehityksen alue, koska se on ainoa menetelmä, joka ei tarvitse ponneaineita tai sisältää vaarallisia materiaaleja.

Koska työntövoimat on pienennetty, ne luovat useita teknisiä haasteita ja rajoituksia. Esimerkiksi työntövoimavektorisointi (ts. Rungot) on mahdotonta pienemmillä potkurilla. Sellaisenaan vektorisointi on sen sijaan saavutettava käyttämällä useita suuttimia työntääkseen epäsymmetrisesti tai käyttämällä toimivia komponentteja massan keskipisteen muuttamiseksi suhteessa CubeSatin geometriaan.

Historia:

Vuodesta 1999 lähtien Kalifornian ammattikorkeakouluyliopisto ja Stanfordin yliopisto kehittivät CubeSat-eritelmät auttamaan yliopistoja maailmanlaajuisesti suorittamaan avaruustiedettä ja etsintää. Termi “CubeSat” kehitettiin tarkoittamaan nanosatelliitteja, jotka noudattavat CubeSatin suunnittelumääritelmissä kuvattuja standardeja.

Ne laativat ilmailuteollisuuden professori Jordi Puig-Suari ja Bob Twiggs Stanfordin yliopiston ilmailun ja astronautian laitokselta. Siitä on sittemmin kasvanut yli 40 instituutin kansainvälinen kumppanuus, joka kehittää nanosatelliitteja, jotka sisältävät tieteellisiä hyötykuormia.

Alun perin pienestä kooltaan huolimatta akateemiset instituutiot olivat rajoitetut siinä mielessä, että ne pakotettiin odottamaan joskus vuosia aloitusmahdollisuudesta. Tämä korjattiin jossain määrin kehittämällä Kalifornian ammattikorkeakoulussa Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (muuten tunnetaan nimellä P-POD). P-POD: t asennetaan kantorakettiin ja kuljettavat CubeSatin kiertoradalle ja lähettävät ne heti, kun oikea signaali on vastaanotettu laukaisuajoneuvolta.

JordiPuig-Suarin mukaan tämän tarkoituksena oli "vähentää satelliitin kehitysaika yliopisto-opiskelijan uran aikakehykseen ja hyödyntää käynnistysmahdollisuuksia suurella määrällä satelliitteja". Lyhyesti sanottuna, P-POD: t varmistavat, että monet CubeSats voidaan käynnistää milloin tahansa.

Useat yritykset ovat rakentaneet CubeSatsin, mukaan lukien iso-satelliittivalmistaja Boeing. Suurin osa kehityksestä tulee kuitenkin yliopistoilta, ja onnistuneesti kiertäneet CubeSat-ohjelmat ja epäonnistuneet operaatiot ovat sekoittuneet. CubeSatsia on niiden perustamisesta lähtien käytetty lukemattomiin sovelluksiin.

Niitä on käytetty esimerkiksi automaattisen tunnistusjärjestelmän (AIS) käyttöönottoon merialusten tarkkailemiseksi, Maan etäantureiden käyttöön ottamiseksi, avaruusketjujen pitkän aikavälin kannattavuuden testaamiseksi sekä biologisten ja radiologisten kokeiden suorittamiseen.

Akateemisessa ja tieteellisessä yhteisössä nämä tulokset jaetaan ja resurssit annetaan käyttöön kommunikoimalla suoraan muiden kehittäjien kanssa ja käymällä CubeSat-työpajoissa. Lisäksi CubeSat-ohjelma hyödyttää yksityisiä yrityksiä ja hallituksia tarjoamalla edullisia tapoja lentää hyötykuormia avaruudessa.

Vuonna 2010 NASA perusti ”CubeSat Launch Initiative” -hankkeen, jonka tavoitteena on tarjota käynnistyspalveluita oppilaitoksille ja voittoa tavoittelemattomille järjestöille, jotta ne voivat saada CubeSatinsa avaruuteen. Vuonna 2015 NASA aloitti Cube Quest -haasteensa osana Centennial Challenges -ohjelmaa.

Tämän 5 miljoonan dollarin palkintopotilla tällä kannustinkilpailulla pyrittiin edistämään pienten satelliittien luomista, jotka pystyvät toimimaan maapallon maapallon kiertoradan ulkopuolella - erityisesti kuun kiertoradalla tai syvässä avaruudessa. Kilpailun lopussa valitaan jopa kolme joukkuetta, jotka aloittavat CubeSat-suunnittelunsa SLS-EM1-tehtävälle vuonna 2018.

NASA: n InSight-laskeutumistehtävä (jonka on määrä käynnistää vuonna 2018) sisältää myös kaksi CubeSat-yksikköä. Ne johtavat Marsin lennonjohtoa ja tarjoavat ylimääräisiä viestintäyhteyksiä Maan päälle laskeutumisen ja laskeutumisen aikana.

Nimitetty Mars Cube One (MarCO), tämä kokeellinen 6U-kokoinen CubeSat on ensimmäinen syvän avaruuden tehtävä, joka luottaa CubeSat-tekniikkaan. Se käyttää suuren vahvistuksen omaavaa litteää X-kaista-antennia tiedonsiirtoon NASA: n Mars Reconnaissance Orbiteriin (MRO) - joka välittää sen sitten maan päälle.

Avaruusjärjestelmien tekeminen pienemmiksi ja edullisemmiksi on yksi avaruustutkimuksen aikakauden tunnusmerkeistä. Se on myös yksi tärkeimmistä syistä, miksi NewSpace-teollisuus on kasvanut harppauksin viime vuosina. Ja kun osallistuminen on suurempi, näemme suuremman tuoton tutkimuksen, kehityksen ja etsinnän suhteen.

Olemme kirjoittaneet monia artikkeleita CubeSat for Space Magazine -lehdestä. Tässä Planetary Society käynnistää kolme erillistä aurinkopurua, ensimmäiset planeettojenväliset CubeSat-levyt NASAn 2016 InSight Mars Lander -laitteessa, tekemällä CubeSatsista tähtitieteen, mitä voit tehdä Cubesatilla? Nämä Cubesatit voisivat käyttää plasmajärjestelmää jättämään aurinkokunnan.

Jos haluat lisätietoja CubeSatista, katso CubeSatin virallinen kotisivu.

Olemme nauhoittaneet jakson tähtitiede-näyttelijöistä, jotka käsittelevät avaruussukkulaa. Kuuntele täällä, jakso 127: Yhdysvaltain avaruuskuljetus.

Lähteet: