KAS IR CUBESATS?

Send

Viens no mūsdienu kosmosa izpētes laikmeta raksturīgajiem raksturlielumiem ir tā atklātais raksturs. Agrāk kosmoss bija robeža, kurai varēja piekļūt tikai divas federālās kosmosa aģentūras - NASA un Padomju kosmosa programma. Bet, pateicoties jaunu tehnoloģiju parādīšanās un izmaksu samazināšanas pasākumiem, privātais sektors tagad ir spējīgs sniegt savus palaišanas pakalpojumus.

Turklāt akadēmiskās iestādes un mazās valstis tagad var veidot savus satelītus, lai veiktu atmosfēras pētījumus, veiktu Zemes novērojumus un pārbaudītu jaunas kosmosa tehnoloģijas. Tas ir tas, kas pazīstams kā CubeSat, miniatūrs satelīts, kas ļauj veikt rentablus kosmosa pētījumus.

Uzbūve un dizains:

CubeSats, kas pazīstams arī kā nanosatellīti, ir izgatavoti pēc standarta izmēriem 10 x 10 x 11 cm (1 U) un ir veidoti kā kubi (tātad nosaukums). Tie ir mērogojami, to versijās ir izmēri 1U, 2U, 3U vai 6U un parasti tie sver mazāk par 1,33 kg (3 mārciņas) uz U. CubSats no 3U vai vairāk ir lielākie, tos veido trīs vienības, kas sakrautas gareniski ar cilindru, kas tos visus apņem.

Pēdējos gados ir ierosinātas lielākas CubeSat platformas, kurās ietilpst 12U modelis (20 x 20 x 30 cm vai 24 x 24 x 36 cm), kas paplašinātu CubeSats iespējas ārpus akadēmiskās pētniecības un jauno tehnoloģiju testēšanas, iekļaujot sarežģītākas zinātnes un valsts aizsardzības mērķi.

Galvenais satelītu miniatūrizācijas iemesls ir izvietošanas izmaksu samazināšana, jo tos var izvietot ar nesējraķetes jaudu. Tas samazina risku, kas saistīts ar komandējumiem, kad papildu krava ir jāpalaiž līdz palaišanas ierīcei, kā arī ļauj īsā laikā mainīt kravas.

Tos var izgatavot arī, izmantojot komerciālas elektroniskās detaļas, kas ir tradicionālās (COTS), kas padara tās salīdzinoši viegli izveidojamas. Tā kā CubeSats misijas bieži tiek veiktas ļoti zemās Zemes orbītā (LEO) un atmosfēras atgriešanās notiek tikai pēc dažām dienām vai nedēļām, radiāciju lielā mērā var ignorēt un var izmantot standarta patērētāja klases elektroniku.

CubeSats ir izgatavoti no četriem īpašiem alumīnija sakausējuma veidiem, lai nodrošinātu, ka tiem ir tāds pats termiskās izplešanās koeficients kā nesējraķetēm. Satelīti ir pārklāti arī ar aizsargājošu oksīda slāni gar jebkuru virsmu, kas nonāk saskarē ar nesējraķeti, lai ārkārtas spriedzes dēļ tie netiktu auksti metināti vietā.

Sastāvdaļas:

CubeSats bieži pārnēsā vairākus borta datorus, lai veiktu pētījumus, kā arī nodrošinātu attieksmes kontroli, virzītājus un sakarus. Parasti tiek iekļauti citi borta datori, lai nodrošinātu, ka galveno datoru nepārslogo vairākas datu plūsmas, bet visiem pārējiem borta datoriem jāspēj ar to saskarties.

Parasti primārais dators ir atbildīgs par uzdevumu deleģēšanu citiem datoriem - piemēram, attieksmes kontroli, aprēķinus par orbītas manevriem un plānošanas uzdevumus. Primāro datoru tomēr var izmantot ar kravas slodzi saistītiem uzdevumiem, piemēram, attēlu apstrādei, datu analīzei un datu saspiešanai.

Miniatūrie komponenti nodrošina stāvokļa kontroli, parasti tie sastāv no reakcijas riteņiem, magnētiskiem pieprasījumiem, virzītājiem, zvaigžņu izsekotājiem, saules un zemes sensoriem, leņķa ātruma sensoriem, kā arī GPS uztvērējiem un antenām. Daudzas no šīm sistēmām bieži izmanto kombinācijā, lai kompensētu trūkumus un nodrošinātu atlaišanas līmeni.

Saules un zvaigžņu sensori tiek izmantoti virziena norādīšanai, savukārt Zemes un tās horizonta uztveršana ir būtiska Zemes un atmosfēras pētījumu veikšanai. Saules sensori ir noderīgi arī, lai nodrošinātu, ka CubsSat spēj maksimāli palielināt piekļuvi saules enerģijai, kas ir galvenais CubeSat barošanas līdzeklis - kur saules paneļi ir iestrādāti satelīta ārējā apvalkā.

Tikmēr piedziņa var notikt vairākos veidos, no kuriem visi saistīti ar miniatūriem virzītājiem, kas nodrošina nelielu daudzumu specifiskā impulsa. Satelīti ir pakļauti arī saules, Zemes un atstarotās saules gaismas izstarojošai sildīšanai, nemaz nerunājot par to sastāvdaļu radīto siltumu.

Kā tāds CubeSat ir piegādāts arī ar izolācijas slāņiem un sildītājiem, lai nodrošinātu, ka to sastāvdaļas nepārsniedz to temperatūras diapazonus un lieko siltumu var izkliedēt. Bieži tiek iekļauti temperatūras sensori, lai uzraudzītu bīstamu temperatūras paaugstināšanos vai pazemināšanos.

Saziņai CubeSat’s var paļauties uz antenām, kas darbojas VHF, UHF vai L-, S-, C- un X joslās. CubeSat mazā izmēra un ierobežotās jaudas dēļ tās lielākoties ir ierobežotas ar 2W jaudu. Tās var būt spirālveida, dipola vai vienvirziena monopola antenas, lai gan tiek izstrādāti sarežģītāki modeļi.

Piedziņa:

CubeSats paļaujas uz daudzām un dažādām dzinējspēka metodēm, kas, savukārt, ļāva sasniegt progresu daudzās tehnoloģijās. Visizplatītākās metodes ietver aukstas gāzes, ķīmiskas, elektriskas piedziņas un saules buras. Aukstās gāzes dzineklis paļaujas uz inertu gāzi (piemēram, slāpekli), kuru uzglabā tvertnē un izlaiž caur sprauslu, lai radītu vilci.

Tā kā dzinējspēka metodes darbojas, tā ir vienkāršākā un visnoderīgākā sistēma, ko var izmantot CubeSat. Tas ir arī viens no drošākajiem, jo vairums auksto gāzu nav ne gaistošas, ne kodīgas. Tomēr to veiktspēja ir ierobežota un viņi nevar sasniegt lielus impulsu manevrus. Tāpēc tos parasti izmanto attieksmes kontroles sistēmās, nevis kā galvenos virzītājus.

Ķīmiskās vilces sistēmas paļaujas uz ķīmiskām reakcijām, lai iegūtu augsta spiediena, augstas temperatūras gāzi, kuru pēc tam virza caur sprauslu, lai radītu vilci. Tās var būt šķidras, cietas vai hibrīdas, un parasti tās ir saistītas ar ķimikāliju kombināciju, kas apvienota ar katalizatoru vai oksidētāju. Šie virzītāji ir vienkārši (un tāpēc tos var viegli miniatūrizēt), tiem ir zems enerģijas patēriņš un tie ir ļoti uzticami.

Elektriskā piedziņa paļaujas uz elektrisko enerģiju, lai paātrinātu lādētās daļiņas līdz lielam ātrumam - aka. Halles efektu virzuļi, jonu virzuļi, pulsējoši plazmas virzuļi utt. Šī metode ir izdevīga, jo tā apvieno augstu īpatnējo impulsu ar augstu efektivitāti un komponentus var viegli miniatūrizēt. Trūkums ir tāds, ka tiem nepieciešama papildu jauda, kas nozīmē vai nu lielākas saules baterijas, lielākas baterijas un sarežģītākas energosistēmas.

Saules buras tiek izmantotas arī kā vilces paņēmienu, kas ir izdevīgi, jo tas neprasa propelentu. Saules buras var arī pielāgot atbilstoši paša CubSat izmēriem, un neliela satelīta masa rada lielāku paātrinājumu dotajā saules buras apgabalā.

Tomēr saules burām joprojām ir jābūt diezgan lielām, salīdzinot ar satelītu, kas padara mehānisko sarežģītību par papildu iespējamās atteices avotu. Šajā laikā tikai daži CubeSats ir izmantojuši saules buras, taču tā joprojām ir joma, kurā iespējama attīstība, jo tā ir vienīgā metode, kurai nav nepieciešams propelents vai kas saistīta ar bīstamiem materiāliem.

Tā kā virzuļi ir miniatūrēti, tie rada vairākus tehniskus izaicinājumus un ierobežojumus. Piemēram, ar mazāku virzuļu palīdzību vilces vektora (t.i., karkasa) vektorēšana nav iespējama. Tā kā vektorēšana, tā vietā ir jāpanāk, izmantojot vairākas sprauslas, lai vilktu asimetriski, vai izmantojot darbinātus komponentus, lai mainītu masas centru attiecībā pret CubeSat ģeometriju.

Vēsture:

Kopš 1999. gada Kalifornijas Politehniskā valsts universitāte un Stenfordas universitāte izstrādāja CubeSat specifikācijas, lai palīdzētu universitātēm visā pasaulē veikt kosmosa zinātni un izpēti. Termins “CubeSat” tika izveidots, lai apzīmētu nanosatelītus, kas ievēro CubeSat dizaina specifikācijās aprakstītos standartus.

Tos izstrādāja kosmiskās aviācijas inženieru profesori Jordi Puig-Suari un Bobs Tvigss no Stenfordas universitātes Aeronautikas un astronautikas katedras. Kopš tā laika tā ir kļuvusi par starptautisku partnerību vairāk nekā 40 institūtiem, kuri izstrādā nanosatelītus ar zinātniskām kravām.

Sākotnēji, neraugoties uz to nelielo apmēru, akadēmiskās iestādes bija ierobežotas, jo tās bija spiestas, dažkārt gadus, gaidīt palaišanas iespēju. To zināmā mērā izlaboja Kalifornijas Politehnikums, izstrādājot Orbital Deployer (citādi zināmu kā P-POD). P-POD tiek uzstādīti uz nesējraķetes un pārvadā CubeSats orbītā un izvieto tos, tiklīdz no palaišanas ierīces ir saņemts pareizais signāls.

Pēc JordiPuig-Suari domām, tā mērķis bija “satelīta attīstības laika samazināšana līdz koledžas studenta karjeras laika grafikam un iespēju piesaistīšana palaišanas iespējām ar lielu skaitu satelītu”. Īsāk sakot, P-POD nodrošina, ka daudzus CubeSats var palaist jebkurā laikā.

Vairāki uzņēmumi ir izveidojuši CubeSats, ieskaitot lielu satelītu veidotāju Boeing. Tomēr lielāko attīstības daļu veido akadēmiskās aprindas, kurās ir dažādi rezultāti par veiksmīgi orbītā CubeSats un neveiksmīgajām misijām. Kopš to izveides CubeSats ir izmantots neskaitāmām lietojumprogrammām.

Piemēram, tie tika izmantoti, lai izvietotu automātiskās identifikācijas sistēmas (AIS), lai uzraudzītu jūras kuģus, izvērstu attālinātus Zemes sensorus, lai pārbaudītu kosmosa piesiešanas ilgtermiņa dzīvotspēju, kā arī veiktu bioloģiskos un radioloģiskos eksperimentus.

Akadēmiskajā un zinātniskajā aprindās šie rezultāti tiek dalīti, un resursi ir pieejami, tieši sazinoties ar citiem izstrādātājiem un apmeklējot CubeSat seminārus. Turklāt CubeSat programma dod labumu privātiem uzņēmumiem un valdībām, nodrošinot zemu izmaksu veidu kravas pārvadāšanai kosmosā.

2010. gadā NASA izveidoja “CubeSat Launch Initiative”, kuras mērķis ir sniegt palaišanas pakalpojumus izglītības iestādēm un bezpeļņas organizācijām, lai viņi varētu nokļūt CubeSat kosmosā. 2015. gadā NASA uzsāka savu Cube Quest izaicinājumu kā daļu no viņu simtgades izaicinājumu programmām.

Šī balvu naudas summa 5 miljonu dolāru vērtībā bija šī stimulējošā konkursa mērķis, lai veicinātu mazu satelītu radīšanu, kas spēj darboties ārpus Zemes orbītas - īpaši Mēness orbītā vai dziļā kosmosā. Konkursa beigās tiks atlasītas ne vairāk kā trīs komandas, kuras savu CubeSat dizainu uzsāks uz SLS-EM1 misijas 2018. gadā.

NASA InSight piezemēšanās misijā (kuru paredzēts sākt 2018. gadā) būs arī divi CubeSats. Viņi vadīs Marsa lidojumu un nodrošinās papildu sakarus ar releju uz Zemi, kad iekāpšanas un nosēšanās laikā nolaižas.

Izraudzītais Mars Cube One (MarCO), šis eksperimentālais 6U izmēra CubeSat būs pirmā dziļā kosmosa misija, kas balstīsies uz CubeSat tehnoloģiju. Lai pārsūtītu datus uz NASA Marsa izlūkošanas orbiteru (MRO) - tas pārsūtīs datus uz Zemi, tas izmantos liela ieguvuma plakanā paneļa X joslu antenu.

Kosmosa sistēmu samazināšana un pieejamība ir viena no atjaunotās kosmosa izpētes laikmeta iezīmēm. Tas ir arī viens no galvenajiem iemesliem, kāpēc pēdējos gados NewSpace nozare ir augusi, strauji pieaugot. Pieaugot līdzdalības līmenim, mēs redzam lielāku atdevi attiecībā uz pētniecību, attīstību un izpēti.

Mēs esam rakstījuši daudzus rakstus par CubeSat for Space Magazine. Šeit Planetary Society uzsāks trīs atsevišķas saules buras, pirmo starpplanētu CubeSats, kas tiks palaists NASA 2016. gada InSight Mars Lander, liekot CubeSats darīt astronomiju, Ko jūs varat darīt ar Cubesat? Šie Cubesats varētu izmantot plazmas virzītājus, lai atstātu mūsu saules sistēmu.

Ja vēlaties iegūt vairāk informācijas par CubeSat, apskatiet CubeSat oficiālo mājas lapu.

Mēs esam ierakstījuši epizodi no astronomijas, kas stāsta par visu kosmosa kuģi. Klausieties šeit, 127. epizode: ASV kosmosa kuģis.

Avoti: