MIS ON CUBESATS?

Send

Kosmoseuuringute tänapäevase ajastu üheks määravaks tunnuseks on selle avatud olemus. Varem oli kosmos piir, millele pääsesid ainult kaks föderaalset kosmoseagentuuri - NASA ja Nõukogude kosmoseprogramm. Kuid tänu uute tehnoloogiate ilmnemisele ja kulude kokkuhoiu meetmetele on erasektor nüüd võimeline osutama oma starditeenuseid.

Lisaks on akadeemilised asutused ja väikeriigid nüüd võimelised ehitama oma satelliite atmosfääriuuringute tegemiseks, Maa vaatluste tegemiseks ja uute kosmosetehnoloogiate katsetamiseks. See on nn CubeSat, miniatuurne satelliit, mis võimaldab kuluefektiivseid kosmoseuuringuid.

Struktuur ja kujundus:

Tuntud ka kui nanosatelliidid, on CubeSats ehitatud standardsuurustega 10 x 10 x 11 cm (1 U) ja need on kujundatud kuubikuteks (sellest ka nimi). Need on skaleeritavad, saadaval versioonides, mille mõõtmed on küljelt 1U, 2U, 3U või 6U ja tavaliselt kaaluvad nad vähem kui 1,33 kg (3 naela) Ü kohta. 3 C või enama CubSats on suurim, koosnedes kolmest virnastatud ühikust piki silindrit, mis ümbritseb neid kõiki.

Viimastel aastatel on välja pakutud suuremad CubeSat platvormid, mis hõlmavad 12U mudelit (20 x 20 x 30 cm või 24 x 24 x 36 cm), mis laiendaks CubeSat'i võimalusi väljaspool akadeemilisi uuringuid ja uute tehnoloogiate katsetamist, hõlmates keerukamat teadust ja riigikaitse eesmärgid.

Satelliidide miniaturiseerimise peamine põhjus on kasutuselevõtu kulude vähendamine ja kuna neid saab kasutusele võtta kanderaketi ülemäärases mahus. See vähendab missioonidega seotud riske, mille korral tuleb täiendavat lasti kanderaketi külge kinnitada, ning võimaldab ka lasti lühikese etteteatamise korral muuta.

Neid saab valmistada ka kaubanduslike elektrooniliste komponentide (COTS) abil, mis muudab nende loomise suhteliselt hõlpsaks. Kuna CubeSatsi missioonid tehakse sageli väga madala maa orbiidil (LEO) ja atmosfääri taastumine toimub vaid päevade või nädalate möödudes, võib kiirgust suuresti eirata ja kasutada võib tavapärast tarbijatele mõeldud elektroonikat.

CubeSats on valmistatud neljast konkreetsest tüüpi alumiiniumisulamist, et tagada nende soojuspaisumisteguri sama väärtus kui kanderaketi puhul. Satelliidid on samuti kaetud kaitsva oksiidikihiga mööda kanderaketiga kokkupuutuvat pinda, et vältida nende külma keevitust oma kohale äärmusliku pinge korral.

Komponendid:

CubeSats kannab uurimistöö tegemiseks sageli mitut pardakompuutrit, pakkudes ka hoiakujuhtimist, tõukejõude ja suhtlust. Tavaliselt on kaasas ka muud pardaarvutid tagamaks, et põhiarvuti ei koormataks mitu andmevoogu, vaid kõik muud pardaarvutid peavad olema võimelised sellega liidestama.

Tavaliselt vastutab primaararvuti ülesannete delegeerimise eest teistele arvutitele - näiteks hoiakujuhtimine, orbitaalmanöövrite arvutused ja ajakava koostamise ülesanded. Siiski võib peamist arvutit kasutada ka koormusest tulenevate ülesannete jaoks, näiteks piltide töötlemine, andmete analüüs ja andmete tihendamine.

Miniatuursed komponendid tagavad hoiaku juhtimise, koosnedes tavaliselt reaktsiooniratastest, magnetküsimustest, tõukejõududest, tähejälgimisseadmetest, päikese- ja maaanduritest, nurkkiiruse anduritest ning GPS-vastuvõtjatest ja antennidest. Paljusid neist süsteemidest kasutatakse sageli koos, et kompenseerida puudusi ja tagada koondamise tase.

Suuna suunamiseks kasutatakse päikese- ja täheandureid, samal ajal kui Maa ja selle horisondi tundmine on Maa ja atmosfääriuuringute läbiviimiseks hädavajalik. Päikesesensorid on kasulikud ka selle tagamiseks, et CubsSat suudaks maksimeerida oma juurdepääsu päikeseenergiale, mis on CubeSat'i toite esmaseks vahendiks - kui päikesepaneelid on integreeritud satelliitide väliskestaga.

Samal ajal võib tõukejõud esineda mitmel kujul, mis kõik hõlmavad miniatuursed tõukejõud, mis annavad väikeses koguses spetsiifilist impulssi. Satelliidid alluvad ka Päikese, Maa ja peegeldunud päikesevalguse kiirguskuumutusele, rääkimata nende komponentide tekitatavast soojusest.

Sellisena on CubeSat'il ka isolatsioonikihid ja küttekehad, mis tagavad, et nende komponendid ei ületaks temperatuurivahemikku ja liigne kuumus saaks hajuda. Temperatuuri andurid on sageli kaasas, et jälgida ohtlikku temperatuuri tõusu või langust.

Suhtluseks saavad CubeSat’id tugineda antennidele, mis töötavad VHF-, UHF- või L-, S-, C- ja X-sagedusalas. CubeSat'i väiksuse ja piiratud mahu tõttu on need enamasti piiratud 2W võimsusega. Need võivad olla spiraalsed, dipoolsed või ühe suunaga monopoolsed antennid, ehkki väljatöötamisel on keerukamad mudelid.

Tõukejõud:

CubeSats tugineb paljudele erinevatele tõukejõu meetoditele, mis on omakorda viinud edusammudeni paljudes tehnoloogiates. Kõige tavalisemad meetodid hõlmavad külma gaasi, keemilisi, elektrilisi jõuseadmeid ja päikesepurjeid. Külma gaasi tõukaja tugineb inertsel gaasil (nagu lämmastik), mida hoitakse paagis ja vabastatakse düüsi kaudu tõukejõu tekitamiseks.

Kuna tõukemeetodid lähevad edasi, on see CubeSat kõige lihtsam ja kasulikum süsteem. See on ka üks ohutumaid, kuna enamik külmasid gaase ei ole lenduvad ega söövitavad. Kuid neil on piiratud jõudlus ja nad ei suuda suuri impulsside manöövreid saavutada. Seetõttu kasutatakse neid üldiselt suhtumise kontrollsüsteemides, mitte peamiste tõukejõudena.

Keemilised tõukejõusüsteemid tuginevad keemilistele reaktsioonidele kõrge rõhu all oleva kõrge temperatuuriga gaasi saamiseks, mis seejärel suunatakse läbi düüsi tõukejõu tekitamiseks. Need võivad olla vedelad, tahked või hübriidsed ja tulenevad tavaliselt kemikaalide kombinatsioonist, mis on kombineeritud katalüsaatori või oksüdeerijaga. Need tõukejõud on lihtne (ja seetõttu saab seda hõlpsalt miniaturiseerida), madala energiatarbega ja väga töökindel.

Elektriline tõukejõud tugineb elektrienergiale, et kiirendada laetud osakesi suurtele kiirustele - aka. Hall-efektiga tõukejõud, ioon-tõukejõud, pulss-plasma tõukejõud jne. See meetod on kasulik, kuna see ühendab suure spetsiifilise impulsi suure efektiivsusega ja komponente saab hõlpsalt miniaturiseerida. Puuduseks on see, et nad vajavad lisajõudu, mis tähendab kas suuremaid päikesepatareisid, suuremaid akusid ja keerukamaid toitesüsteeme.

Päikesepurjeid kasutatakse ka tõukejõu meetodina, mis on kasulik, kuna see ei vaja raketikütust. Päikesepurjeid saab ka kohandada vastavalt CubSat'i enda mõõtmetele ja satelliidi väikese massi tõttu on antud päikesepurje piirkonnas antud piirkonnas suurem kiirendus.

Päikesepurgad peavad satelliidiga võrreldes siiski olema üsna suured, mis muudab mehaanilise keerukuse potentsiaalse rikke lisaallikaks. Sel ajal on vähesed CubeSatsid kasutanud päikesepurje, kuid see on endiselt potentsiaalse arengu valdkond, kuna see on ainus meetod, mis ei vaja raketikütust või on seotud ohtlike materjalidega.

Kuna tõukejõud on miniaturiseeritud, tekitavad nad mitmeid tehnilisi väljakutseid ja piiranguid. Näiteks on tõukejõu vektoriseerimine (s.o kardaanid) väiksemate tõukejõude korral võimatu. Seega tuleb vektoriseerimine saavutada mitmete düüside abil asümmeetrilise tõukejõu abil või aktiveeritud komponentide abil massikeskme muutmiseks CubeSat'i geomeetria suhtes.

Ajalugu:

Alates 1999. aastast töötasid California Polütehniline Riiklik Ülikool ja Stanfordi ülikool välja CubeSat spetsifikatsioonid, et aidata ülikoolidel kogu maailmas läbi viia kosmoseteadusi ja uuringuid. Mõiste “CubeSat” loodi nano-satelliitide tähistamiseks, mis vastavad CubeSat'i tehnospetsifikaadis kirjeldatud standarditele.

Need panid paika kosmosetehnoloogia professorid Jordi Puig-Suari ja Bob Twiggs Stanfordi ülikooli lennunduse ja astronautika osakonnast. Sellest ajast on saanud rahvusvaheline partnerlus, mis hõlmab enam kui 40 instituuti, mis töötavad välja nanosatelliite, mis sisaldavad teaduslikke koormusi.

Esialgu olid akadeemilised asutused, vaatamata nende väiksusele, piiratud, kuna nad olid sunnitud mõnikord ootama avamisvõimalust. See suudeti mingil määral parandada polü-PicoSatellite Orbital Deployeri (muidu tuntud kui P-POD) väljatöötamisega California polütehnikumis. P-POD-d paigaldatakse kanderaketile ja need viivad CubeSatsi orbiidile ja lähevad need kasutusele pärast kanderaketilt õige signaali saamist.

Selle eesmärk oli JordiPuig-Suari sõnul "vähendada satelliidi arendusaega kolledži üliõpilase karjääri ajakavasse ja kasutada suure hulga satelliitide abil käivitusvõimalusi". Lühidalt, P-POD-d tagavad paljude CubeSatsi käivitamise igal ajahetkel.

Mitu firmat on ehitanud CubeSatsi, sealhulgas suure satelliidi tootmisega Boeing. Suurem osa arengust tuleb siiski akadeemiliste ringkondade poolt ning edukalt orbiiditud CubeSatsi ja ebaõnnestunud missioonide segane rekord. Alates nende loomisest on CubeSatit kasutatud lugematute rakenduste jaoks.

Näiteks on neid kasutatud automaatsete tuvastussüsteemide (AIS) juurutamiseks merelaevade jälgimiseks, maapealsete andurite juurutamiseks, kosmosejaamade pikaajalise elujõulisuse testimiseks ning bioloogiliste ja radioloogiliste katsete läbiviimiseks.

Neid tulemusi jagatakse akadeemilises ja teadusringkonnas ning ressursid tehakse kättesaadavaks teiste arendajatega otse suheldes ja CubeSat töötubades osaledes. Lisaks on CubeSat'i programmist kasu eraettevõtetele ja valitsustele, pakkudes odavat viisi kosmoselaevade kandmiseks.

NASA lõi 2010. aastal „CubeSat Launch Initiative“, mille eesmärk on pakkuda käivitusteenuseid haridusasutustele ja mittetulundusühingutele, et nad saaksid oma CubeSat kosmosesse viia. NASA algatas 2015. aastal oma Centennial Challenges programmide raames oma Cube Quest Challenge'i.

Selle stipendiumikonkursi auhinnafond oli 5 miljonit dollarit, mille eesmärk oli soodustada väikeste satelliitide loomist, mis on võimelised töötama kaugemal Maa madalast orbiidist - eriti Kuu orbiidil või sügavas kosmoses. Konkursi lõpus valitakse kuni kolm võistkonda, kes käivitavad oma CubeSat-disaini SLS-EM1 missiooni pardal 2018. aastal.

NASA InSight-maandumismissioon (plaanipärane käivitamine toimub 2018. aastal) hõlmab ka kahte CubeSatti. Need viivad läbi Marsi lendorava ja pakuvad maale sisenemisel ja maandumisel täiendavat releesidet Maale.

Määratud Mars Cube One (MarCO), see eksperimentaalne 6U suurune CubeSat on esimene süvakosmose missioon, mis tugineb CubeSat tehnoloogiale. See kasutab suure jõudlusega lameekraaniga X-riba antenni, et edastada andmeid NASA Mars Reconnaissance Orbiterile (MRO) - mis seejärel edastab selle Maale.

Kosmosesüsteemide väiksemaks ja soodsamaks muutmine on kosmose uuendatud uurimise ajastu tunnusjooned. See on ka üks peamisi põhjuseid, miks NewSpace'i tööstus on viimastel aastatel hüppeliselt kasvanud. Ja suurema osaluse korral näeme teadusuuringute, arendustegevuse ja uurimise valdkonnas suuremat tulu.

Oleme kirjutanud palju artikleid CubeSat kohta ajakirjale Space. Siin Planetary Society käivitatakse NASA 2016. aasta InSight Mars Landeril kolm eraldi eraldatavat päikesepurki, esimene planeetidevaheline CubeSat, mis paneb CubeSat tegema astronoomiat, mida saaksite teha Cubesatiga? Need Cubesats võiksid meie päikesesüsteemist lahkudes kasutada plasmatõukejõude.

Kui soovite CubeSati kohta rohkem teavet, vaadake CubeSat'i ametlikku kodulehte.

Oleme salvestanud episoodi astronoomiast, kus räägiti kõike kosmosesüstiku kohta. Kuulake siin, episood 127: USA kosmosesüstik.

Allikad: