CE SUNT CUBESATS?

Send

Una dintre caracteristicile definitorii ale erei moderne a explorării spațiale este natura deschisă a acesteia. În trecut, spațiul era o frontieră accesibilă doar pentru două agenții spațiale federale - NASA și programul spațial sovietic. Dar, datorită apariției de noi tehnologii și măsuri de reducere a costurilor, sectorul privat este acum capabil să furnizeze propriile lor servicii de lansare.

În plus, instituțiile academice și țările mici sunt acum capabile să își construiască propriii sateliți în scopul de a efectua cercetări atmosferice, de a face observații asupra Pământului și de a testa noi tehnologii spațiale. Este ceea ce este cunoscut sub numele de CubeSat, un satelit miniaturizat care permite o cercetare spațială rentabilă.

Structura și proiectarea:

Cunoscute și sub denumirea de nanosatellite, CubeSats sunt construite la dimensiuni standard de 10 x 10 x 11 cm (1 U) și au formă de cuburi (de aici și numele). Acestea sunt scalabile, venind în versiuni care măsoară 1U, 2U, 3U sau 6U pe o parte și cântăresc de obicei mai puțin de 1,33 kg (3 lbs) pe U. CubSats de 3Us sau mai multe sunt cele mai mari, fiind compuse din trei unități stivuite. în lungime cu un cilindru care le înglobează pe toate.

În ultimii ani, au fost propuse platforme CubeSat mai mari, care includ un model 12U (20 x 20 x 30 cm sau 24 x 24 x 36 cm), care ar extinde capabilitățile CubeSats dincolo de cercetarea academică și testarea noilor tehnologii, încorporând științe mai complexe. și obiective de apărare națională.

Motivul principal pentru miniaturizarea sateliților este reducerea costurilor de desfășurare și deoarece pot fi dislocate în excesul capacității unui vehicul de lansare. Acest lucru reduce riscurile asociate misiunilor în care încărcarea suplimentară trebuie să fie transportată la lansator și permite, de asemenea, schimbări de marfă la scurt timp.

De asemenea, pot fi realizate folosind componente electronice comerciale din afara raftului (COTS) comerciale, ceea ce le face comparabile ușor de creat. Deoarece misiunile CubeSats sunt adesea realizate pe Orbitele Pământului foarte scăzute (LEO) și experimentează reintrare în atmosferă după doar câteva zile sau săptămâni, radiațiile pot fi ignorate în mare măsură și se poate utiliza o electronică standard pentru consumatori.

CubeSats sunt construite din patru tipuri specifice de aliaj de aluminiu pentru a se asigura că au același coeficient de expansiune termică ca și vehiculul de lansare. Sateliții sunt, de asemenea, înveliți cu un strat protector de oxid de-a lungul oricărei suprafețe care intră în contact cu vehiculul de lansare pentru a preveni ca acestea să fie sudate la rece în loc de stres extrem.

Componente:

CubeSats adesea poartă mai multe calculatoare de bord, de dragul de a efectua cercetări, asigurând, de asemenea, controlul atitudinii, propulsoarele și comunicațiile. De obicei, alte computere de bord sunt incluse pentru a se asigura că computerul principal nu este supraîncărcat de mai multe fluxuri de date, dar toate celelalte computere de bord trebuie să fie capabile să interfețe cu acesta.

De obicei, un computer primar este responsabil pentru delegarea sarcinilor către alte computere - cum ar fi controlul atitudinii, calculele pentru manevrele orbitale și sarcinile de planificare. Totuși, computerul primar poate fi utilizat pentru sarcini legate de sarcină utilă, cum ar fi procesarea imaginilor, analiza datelor și compresia datelor.

Componentele miniaturizate asigură controlul atitudinii, constând, de obicei, din roți de reacție, magnetorquers, propulsoare, trackere cu stele, senzori de Soare și Pământ, senzori de viteză unghiulară și receptoare GPS și antene. Multe dintre aceste sisteme sunt adesea utilizate în combinație pentru a compensa deficiențele și pentru a oferi niveluri de redundanță.

Senzorii de soare și de stele sunt folosiți pentru a oferi indicarea direcțională, în timp ce simțirea Pământului și a orizontului său este esențială pentru realizarea studiilor Pământului și atmosferice. Senzorii solari sunt de asemenea utili pentru a se asigura că CubsSat este capabil să-și maximizeze accesul la energia solară, care este principalul mijloc de alimentare a unui CubeSat - unde panourile solare sunt încorporate în carcasa exterioară a sateliților.

Între timp, propulsia poate veni într-o serie de forme, toate implicând propulsoare miniaturizate care furnizează cantități mici de impulsuri specifice. Sateliții sunt, de asemenea, supuși încălzirii radiaționale de la Soare, Pământ și lumina soarelui reflectată, ca să nu mai vorbim de căldura generată de componentele lor.

Ca atare, CubeSat vine de asemenea cu straturi de izolare și încălzitoare pentru a se asigura că componentele lor nu le depășesc intervalele de temperatură și că excesul de căldură poate fi disipat. Senzorii de temperatură sunt adesea incluși pentru a monitoriza creșterea sau scăderea temperaturii periculoase.

Pentru comunicații, CubeSat se poate baza pe antene care funcționează în benzile VHF, UHF sau L-, S-, C și X. Acestea sunt în mare parte limitate la 2W de putere datorită dimensiunii mici și a capacității limitate a CubeSat. Ele pot fi antene monopole elicoidale, dipole sau monodirecționale, deși sunt dezvoltate modele mai sofisticate.

Propulsie:

CubeSats se bazează pe multe metode diferite de propulsie, ceea ce la rândul său a dus la avansări în multe tehnologii. Cele mai frecvente metode includ gazul rece, produsul chimic, propulsia electrică și pânzele solare. Un propulsor cu gaz rece se bazează pe gazul inert (precum azotul), care este depozitat într-un rezervor și eliberat printr-o duză pentru a genera o împingere.

Pe măsură ce metodele de propulsie merg, este cel mai simplu și mai util sistem pe care îl poate folosi CubeSat. De asemenea, este unul dintre cele mai sigure, deoarece majoritatea gazelor reci nu sunt nici volatile, nici corozive. Cu toate acestea, au performanțe limitate și nu pot realiza manevre de impuls mare. De aceea, sunt utilizate în general în sistemele de control a atitudinii și nu ca propulsoare principale.

Sistemele de propulsie chimică se bazează pe reacții chimice pentru a produce gaz de înaltă presiune, la temperaturi ridicate, care este apoi direcționat printr-o duză pentru a crea o tracțiune. Ele pot fi lichide, solide sau un hibrid și, de obicei, ajung la combinația de substanțe chimice combinate cu un catalizator sau un oxidant. Aceste propulsoare sunt simple (și, prin urmare, pot fi miniaturizate ușor), au cerințe de putere reduse și sunt foarte fiabile.

Propulsia electrică se bazează pe energia electrică pentru a accelera particulele încărcate la viteze mari - de asemenea. Propulsoare cu efect de hală, propulsoare cu ioni, propulsoare cu plasmă pulsată, etc. Această metodă este benefică, deoarece combină un impuls specific specific cu o eficiență ridicată, iar componentele pot fi ușor miniaturizate. Un dezavantaj este că acestea necesită energie suplimentară, ceea ce înseamnă fie celule solare mai mari, baterii mai mari și sisteme de alimentare mai complexe.

Pânzele solare sunt, de asemenea, utilizate ca metodă de propulsie, care este benefic, deoarece nu necesită propulsor. Pânzele solare pot fi, de asemenea, dimensionate la dimensiunile proprii ale CubSat, iar masa mică a satelitului are ca rezultat o accelerare mai mare pentru o anumită zonă a velei solare.

Cu toate acestea, pânzele solare trebuie să fie destul de mari în comparație cu satelitul, ceea ce face din complexitatea mecanică o sursă suplimentară de potențial defectare. În acest moment, puține CubeSats au folosit o vela solară, dar rămâne o zonă de dezvoltare potențială, deoarece este singura metodă care nu are nevoie de propulsor sau care implică materiale periculoase.

Deoarece miniaturile sunt miniaturizate, ele creează mai multe provocări și limitări tehnice. De exemplu, vectorizarea de tracțiune (adică gimbalele) este imposibilă cu propulsoarele mai mici. Ca atare, vectorizarea trebuie în schimb realizată folosind mai multe duze pentru a trage asimetric sau folosind componente acționate pentru a schimba centrul de masă în raport cu geometria CubeSat-ului.

Istorie:

Începând cu 1999, Universitatea Politehnică de Stat din California și Universitatea Stanford au dezvoltat specificațiile CubeSat pentru a ajuta universitățile din întreaga lume să realizeze știința spațială și explorarea. Termenul „CubeSat” a fost creat pentru a indica nano-sateliți care respectă standardele descrise în specificațiile de proiectare CubeSat.

Acestea au fost stabilite de profesorul de inginerie aerospațială Jordi Puig-Suari și Bob Twiggs, de la Departamentul de Aeronautică și Astronautică din Universitatea Stanford. De atunci a devenit un parteneriat internațional format din peste 40 de institute care dezvoltă nano-sateliți care conțin sarcini utile științifice.

Inițial, în ciuda dimensiunilor mici, instituțiile academice erau limitate prin faptul că erau forțate să aștepte, uneori ani, o oportunitate de lansare. Acest lucru a fost remediat într-o oarecare măsură prin dezvoltarea Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (cunoscut altfel ca P-POD), de către California Polytechnic. P-POD-urile sunt montate pe un vehicul de lansare și transportă CubeSats pe orbită și le implementează odată ce semnalul corespunzător este primit de la vehiculul de lansare.

Scopul acestui lucru, în conformitate cu JordiPuig-Suari, a fost „de a reduce timpul de dezvoltare a satelitului la intervalul de timp al carierei unui student de colegiu și de a folosi oportunitățile de lansare cu un număr mare de sateliți.” Pe scurt, P-POD-urile se asigură că multe CubeSats pot fi lansate în orice moment.

Câteva companii au construit CubeSats, inclusiv Boeing pentru producătorii de sateliți mari. Cu toate acestea, majoritatea dezvoltării provin din mediul academic, cu un record mixt de CubeSats orbitate cu succes și misiuni eșuate. Încă de la înființare, CubeSats a fost utilizat pentru nenumărate aplicații.

De exemplu, au fost folosite pentru a implementa sisteme automate de identificare (AIS) pentru a monitoriza navele marine, a implementa senzori de la distanță pe Pământ, pentru a testa viabilitatea pe termen lung a legăturilor spațiale, precum și pentru a efectua experimente biologice și radiologice.

În cadrul comunității științifice și științifice, aceste rezultate sunt partajate și resursele sunt puse la dispoziție prin comunicarea directă cu alți dezvoltatori și participarea la atelierele CubeSat. În plus, programul CubeSat beneficiază firmele private și guvernele, oferind o modalitate low-cost de a zbura sarcinile utile în spațiu.

În 2010, NASA a creat „Inițiativa lansării CubeSat”, care își propune să ofere servicii de lansare pentru instituțiile de învățământ și organizațiile non-profit, astfel încât acestea să poată să-și aducă CubeSats în spațiu. În 2015, NASA a inițiat Cube Quest Challenge ca parte a Programelor Provocări Centenare.

Cu o monedă de premiu de 5 milioane de dolari, această competiție stimulativă a avut drept scop favorizarea creării de sateliți mici capabili să funcționeze dincolo de orbita joasă a Pământului - în special în orbita lunară sau în spațiul profund. La finalul competiției, până la trei echipe vor fi selectate pentru a lansa designul CubeSat la bordul misiunii SLS-EM1 în 2018.

Misiunea de aterizare a InSight a NASA (programată pentru lansare în 2018), va include, de asemenea, două CubeSats. Acestea vor efectua un zbor de pe Marte și vor furniza comunicații suplimentare cu releu pe Pământ în timpul intrării și aterizării.

Desemnat Mars Cube One (MarCO), acest CubeSat experimental de 6U va fi prima misiune în spațiu profund care se bazează pe tehnologia CubeSat. Va folosi o antenă cu bandă X cu panou plat cu câștig mare pentru a transmite date către Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) de la NASA - care o va transmite apoi pe Pământ.

Creșterea sistemelor spațiale este mai mică și mai accesibilă este una dintre caracteristicile epocii explorării spațiale reînnoite. Este, de asemenea, unul dintre motivele principale pentru care industria NewSpace a crescut în pasuri mari în ultimii ani. Și cu niveluri mai mari de participare, vedem randamente mai mari când vine vorba de cercetare, dezvoltare și explorare.

Am scris multe articole despre CubeSat pentru revista Space. Iată societatea planetară pentru a lansa trei vele solare separate, primele cuburi interplanetare pentru a lansa pe 2016 InSight Mars Lander de la NASA, CubeSats fac Astronomie, ce poți face cu un Cubesat?

Dacă doriți mai multe informații despre CubeSat, consultați pagina oficială oficială a CubeSat.

Am înregistrat un episod din distribuția Astronomie despre navetă spațială. Ascultă aici, episodul 127: Nava spațială americană.

surse: