Jedna od najvažnijih karakteristika modernog doba svemirskih istraživanja je otvorenost istih. U prošlosti je svemir bio granica koja je bila dostupna samo dvije savezne svemirske agencije - NASA-i i sovjetskom svemirskom programu. Ali zahvaljujući pojavi novih tehnologija i mjera smanjenja troškova, privatni sektor sada je u mogućnosti pružiti vlastite usluge pokretanja.
Osim toga, akademske institucije i male zemlje sada su sposobne izgraditi vlastite satelite za potrebe atmosferskog istraživanja, promatranja Zemlje i ispitivanja novih svemirskih tehnologija. To je ono što je poznato kao CubeSat, minijaturizirani satelit koji omogućava ekonomična svemirska istraživanja.
Struktura i dizajn:
Poznati i kao nanoteliti, CubeSats su izgrađeni do standardnih dimenzija 10 x 10 x 11 cm (1 U) i u obliku kocke (odatle i naziv). Oni su skalabilni i dolaze u verzijama koje mjere 1U, 2Us, 3Us ili 6Us sa strane, a obično teže manje od 1,33 kg (3 lbs) po U. uzdužno s cilindrom koji ih sve obuhvaća.
Posljednjih godina predložene su veće platforme CubeSat, koje uključuju model od 12 U (20 x 20 x 30 cm ili 24 x 24 x 36 cm), koji bi proširio mogućnosti CubeSat-a izvan akademskog istraživanja i testiranja novih tehnologija, uključivši složenije znanosti i nacionalni ciljevi obrane.
Glavni razlog minijaturističkih satelita je smanjiti troškove raspoređivanja i zato što se oni mogu primijeniti u višku kapaciteta lansirnog vozila. To smanjuje rizike povezane s misijama u kojima se dodatni teret mora prisilno spremiti na bacač, a također omogućuje kraće promjene tereta.
Mogu se izraditi i pomoću komercijalnih elektroničkih komponenti (COTS), što ih čini relativno jednostavnim za izradu. Budući da se CubeSats misije često rade na vrlo niskim zemaljskim orbitama (LEO) i doživljavaju atmosfersko ponovno ubacivanje nakon samo nekoliko dana ili tjedana, zračenje se u velikoj mjeri može zanemariti i može se koristiti standardna potrošačka elektronika.
CubeSats su izgrađeni od četiri posebne vrste aluminijske legure kako bi se osiguralo da imaju isti koeficijent toplinske ekspanzije kao i lansirno vozilo. Sateliti su također obloženi zaštitnim oksidnim slojem duž svake površine koja dođe u kontakt s lansirnim vozilom kako bi se spriječilo da ih hladno zavare na mjestu od jakog stresa.
Komponente:
CubeSats često nosi više ugrađenih računala radi istraživanja, kao i za kontrolu položaja, potiske i komunikaciju. Obično su uključena druga ugrađena računala kako bi se osiguralo da glavno računalo nije preopterećeno višestrukim protokom podataka, ali sva ostala ugrađena računala moraju se moći međusobno povezivati.
Obično je primarno računalo odgovorno za delegiranje zadataka na druga računala - poput kontrole stava, izračunavanja u orbitalnim manevrima i zadataka zakazivanja. Ipak, primarno se računalo može koristiti za zadatke povezane s korisnim opterećenjem, poput obrade slike, analize podataka i kompresije podataka.
Minijaturizirane komponente osiguravaju kontrolu položaja, obično se sastoje od reakcijskih kotača, magnetorquera, potisnika, pratilaca zvijezda, senzora za sunce i zemlju, senzora kutne brzine te GPS prijemnika i antena. Mnogi se od ovih sustava često koriste u kombinaciji kako bi se nadoknadili nedostaci i osigurali razine suvišnosti.
Senzori sunca i zvijezda koriste se za usmjeravanje, dok je za proučavanje Zemlje i atmosfere neophodno osjetiti Zemlju i njen horizont. Sunčevi senzori također su korisni u osiguravanju mogućnosti CubsSat-a da poveća svoj pristup solarnoj energiji, što je osnovno sredstvo napajanja CubeSat - gdje su solarni paneli ugrađeni u vanjsko kućište satelita.
U međuvremenu, pogon može biti u različitim oblicima, koji uključuju minijaturizirane potisnike koji pružaju male količine određenog impulsa. Sateliti su također podložni zračenju Sunca, Zemlje i reflektirane sunčeve svjetlosti, a da ne spominjemo toplinu koju generiraju njihove komponente.
Kao takav, CubeSat se isporučuje sa izolacijskim slojevima i grijačima kako bi osigurao da njihovi dijelovi ne prekorače temperaturne granice te da se višak topline može rasipati. Često su uključeni senzori temperature za nadgledanje opasnih porasta ili padova temperature.
Za komunikaciju, CubeSat se može osloniti na antene koje rade u VHF, UHF ili L-, S-, C- i X-opsezima. Oni su uglavnom ograničeni na 2W snage zbog male veličine i ograničenog kapaciteta CubeSata. Mogu biti spiralne, dipolne ili monodirekcijske monopolne antene, iako se razvijaju sofisticiraniji modeli.
Pogon:
CubeSats se oslanjaju na mnogo različitih metoda pogona, što je zauzvrat dovelo do napretka u mnogim tehnologijama. Najčešće metode uključuju hladni plin, kemijska, električna pogona i solarna jedra. Potisnik hladnog plina oslanja se na inertni plin (poput dušika) koji se skladišti u spremniku i pušta kroz mlaznicu da bi se stvorio potisak.
Kako prolaze metode pogona, to je najjednostavniji i najkorisniji sustav koji CubeSat može koristiti. Također je i jedan od najsigurnijih, jer većina hladnih plinova nije ni isparljiva niti korozivna. Međutim, oni imaju ograničene performanse i ne mogu postići velike impulse. Otuda se oni obično koriste u sustavima za kontrolu položaja, a ne kao glavni potisnici.
Kemijski pogonski sustavi oslanjaju se na kemijske reakcije za proizvodnju visokotlačnog, visokotemperaturnog plina koji se zatim usmjerava kroz mlaznicu da bi se stvorio potisak. Oni mogu biti tekući, kruti ili hibridni i obično se svode na kombinaciju kemikalija u kombinaciji s katalizatorima ili oksidantom. Ti su potisnici jednostavni (i zbog toga se mogu lako minijaturisati), imaju male potrebe za napajanjem i vrlo su pouzdani.
Električni pogon oslanja se na električnu energiju za ubrzavanje nabijenih čestica do velikih brzina - aka. Pokretači s Hall-efektom, ionski potisnici, impulsni potisnici plazme itd. Ova je metoda korisna jer kombinira visoki specifični impuls s visokom učinkovitošću, a komponente se mogu lako minijaturisati. Nedostatak je što im je potrebna dodatna snaga, što znači ili veće solarne ćelije, veće baterije i složeniji elektroenergetski sustavi.
Solarna jedra također se koriste kao metoda za pogon, što je korisno jer ne zahtijeva pogonsko gorivo. Solarna jedra također se mogu smanjiti prema dimenzijama CubSat-a, a mala masa satelita rezultira većim ubrzanjem za određeno područje solarnog jedra.
Međutim, solarna jedra još uvijek moraju biti prilično velika u odnosu na satelit, što mehaničku složenost čini dodatnim izvorom potencijalnih kvarova. U ovom trenutku malo CubeSatsa koristi solarno jedro, ali ono ostaje područje potencijalnog razvoja jer je to jedina metoda koja ne treba pogonsko gorivo ili ne uključuje opasne materije.
Budući da su potisnici minijaturizirani, oni stvaraju nekoliko tehničkih izazova i ograničenja. Na primjer, vektoriranje potiska (tj. Gimbale) nije moguće s manjim potisnicima. Kao takav, vektoriranje se umjesto toga mora postići primjenom više mlaznica koje se asimetrično guraju ili korištenjem aktiviranih komponenata za promjenu središta mase u odnosu na geometriju CubeSat-a.
Povijest:
Počevši od 1999. godine Kalifornijsko politehničko sveučilište i Sveučilište Stanford razvili su specifikacije CubeSat kako bi pomogli sveučilištima širom svijeta u obavljanju svemirskih znanosti i istraživanja. Izraz "CubeSat" skovan je da označava nanosatelite koji se pridržavaju standarda opisanih u CubeSat dizajnerskim specifikacijama.
To su izložili profesori zrakoplovne inženjerke Jordi Puig-Suari i Bob Twiggs s Odjela za aeronautiku i astronautiku na Sveučilištu Stanford. Od tada je postalo međunarodno partnerstvo preko 40 instituta koji razvijaju nano-satelite koji sadrže znanstvene korisne opterećenja.
U početku su, unatoč svojoj maloj veličini, akademske institucije bile ograničene u tome što su bile prisiljene čekati, ponekad i godine, priliku za pokretanje. To je u određenoj mjeri popravljeno razvojem Poly-PicoSatellite Orbital Deployera (inače poznatog kao P-POD) od California Polytechnic. P-POD-ovi su montirani na lansirno vozilo i nose CubeSats u orbitu i raspoređuju ih nakon što primi pravi signal iz lansirnog vozila.
Svrha toga, prema JordiPuig-Suari, bila je "smanjiti vrijeme razvoja satelita na vremenski okvir karijere studenta i iskoristiti mogućnosti pokretanja s velikim brojem satelita." Ukratko, P-POD osiguravaju da se mnogi CubeSats mogu pokrenuti u bilo kojem trenutku.
Nekoliko je tvrtki izgradilo CubeSats, uključujući Boeing koji proizvodi velike satelite. Međutim, najveći dio razvoja dolazi iz akademskih krugova, s mješovitom evidencijom uspješno orbitiranih CubeSats-a i neuspjelih misija. CubeSats su od svog početka korišteni za bezbroj aplikacija.
Na primjer, korišteni su za postavljanje sustava automatske identifikacije (AIS) za nadgledanje morskih plovila, razmještanje zemaljskih daljinskih senzora, za testiranje dugoročne održivosti svemirskih priveza, kao i za provođenje bioloških i radioloških eksperimenata.
U okviru akademske i znanstvene zajednice, ovi se rezultati dijele i resursi su dostupni dostupnom komunikacijom izravno s drugim programerima i pohađanjem CubeSat radionica. Osim toga, program CubeSat koristi privatne tvrtke i vlade pružajući jeftin način letenja korisnih tereta u svemiru.
Godine 2010. NASA je stvorila „CubeSat Launch Initiative“ (Namjera za pokretanje CubeSat), koja ima za cilj pružiti usluge pokretanja obrazovnih ustanova i neprofitnih organizacija kako bi dobili njihov CubeSats u svemir. 2015. godine NASA je pokrenula Cube Quest Challenge kao dio svojih stogodišnjih programa izazova.
Uz nagradnu torbicu od 5 milijuna dolara, ovo poticajno natjecanje imalo je za cilj poticanje stvaranja malih satelita koji bi mogli raditi izvan niske zemaljske orbite - posebno u lunarnoj orbiti ili dubokom svemiru. Na kraju natjecanja bit će odabrana tri tima koja će u 2018. godini lansirati svoj CubeSat dizajn na misiju SLS-EM1.
NASA-ina misija spuštanja InSight (trebala bi se predstaviti 2018.) također će uključivati dva CubeSats-a. Oni će provesti let na Marsu i pružiti dodatnu relejnu komunikaciju sa Zemljom tijekom ulaska i slijetanja Landera.
Izrečeni Mars Cube One (MarCO), ovaj će eksperimentalni CubeSat veličine 6U biti prva misija dubokog svemira koja se oslanja na CubeSat tehnologiju. Za prijenos podataka u NASA-in Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) koristit će visokopojasni antenski X-opsežni anteni koji će ga potom prenijeti na Zemlju.
Činjenje svemirskih sustava manjim i pristupačnijim jedan je od značajki ere obnovljenog svemirskog istraživanja. To je također jedan od glavnih razloga što industrija NewSpace posljednjih godina raste skokovima i granicama. I s većom razinom sudjelovanja, bilježimo veće prinose kada je u pitanju istraživanje, razvoj i istraživanje.
O CubeSatu za Space Magazine napisali smo mnoge članke. Evo planetarnog društva za lansiranje tri odvojena solarna jedra, prve međuplanetarne kocke za spuštanje na NASA-inom insajtovu Mars Marsa 2016, čineći CubeSats astronomiju, što možete učiniti s kubesatom, a ovi kubesati mogu koristiti potisnike plazme za napuštanje našeg sunčevog sustava.
Ako želite više informacija na CubeSatu, pogledajte službenu stranicu CubeSat-a.
Snimili smo epizodu Astronomy Cast-a sve o svemirskom brodu. Slušajte ovdje, epizoda 127: Američki svemirski šatl.
izvori:
- NASA - CubeSats
- Wikipedia - CubeSat
- CubeSat - O nama
- CubeSatkit
