Innovatív formátum kis űrhajók indítását célzó küldetések szervezésére. Hogyan működik a CubeSats? (6 kép) Hasznos teher összetétele
Az űrkutatás modern korszakának egyik meghatározó jellemzője a nyitottság. A múltban az űr határvonal volt, amelyhez csak két nemzeti űrügynökség – az amerikai és a szovjet programok – férhetett hozzá. De az új technológiák fejlesztésének és bizonyos szempontú költségek csökkentésének köszönhetően a kereskedelmi szegmens már aktívan kínálja saját szolgáltatásait valaminek az űrbe való kilövéséhez.
Emellett tudományos intézmények és kis országok saját műholdakat építenek légköri kutatások, Föld-megfigyelések és új űrtechnológiák tesztelésére. Tehát a CubeSat („cubesat”), egy miniatűr műhold teszi lehetővé számukra, hogy meglehetősen olcsó űrkutatást végezzenek.
A CubeSats, más néven nanoműholdak szabványos 10 x 10 x 11 centiméteres (1U) méretűek, és a név szerint kocka alakúak. Méretezhetőek és különböző verziókban kaphatók - 1U, 2U, 3U vagy 6U. Egy ilyen műhold egységenként 1,33 kg-ot nyom. A 3 U-nál nagyobb CubeSat-ok nagy prototípusok, amelyek három kockából állnak, amelyek egy hengerben helyezkednek el.
BAN BEN utóbbi évek Nagyobb CubeSat platformokat is kínáltak, köztük egy 12U-s modellt (20 x 20 x 30 centiméter). Kibővítené a cubesats képességeit az akadémiai kutatáson túl, és új technológiákat tesztelne, beleértve a bonyolultabb tudományt és védelmet is.
A műholdak miniatürizálásának fő oka a telepítési költségek csökkentése, valamint az, hogy a rakéta maradék erejével bevethetők. Ez lehetővé teszi a különféle kockázatok csökkentését, és jelentősen felgyorsítja az indítási folyamatot.
Készülhetnek kereskedelmi forgalomban kapható elektronikai alkatrészekből is, ami viszonylag egyszerű. Általában a cubesat küldetéseket a legalacsonyabb földi pályára indítják, és néhány nap vagy hét múlva ismét belépnek a légkörbe, így figyelmen kívül hagyva a sugárzást, és hagyományos berendezéseket használhatnak, például egy elektronikai boltból.
A CubeSat négy különböző típusú alumíniumötvözetből készül, hogy biztosítsák a hordozórakétával azonos hőtágulási együtthatót. A műholdak minden felületén védőréteggel vannak bevonva oxid, amely megakadályozza a hideghegesztést nagy nyomású helyre.
CubeSat alkatrészek
A CubeSats gyakran több fedélzeti számítógéppel van felszerelve a kutatáshoz, valamint a helyzetszabályozáshoz, a tolómotorokhoz és a kommunikációhoz. Általános szabály, hogy a fedélzeti számítógépek bősége lehetővé teszi a terhelés újraelosztását többletadatok esetén. A fő számítógép felelős a feladatok más számítógépekre történő delegálásáért – például az attitűdszabályozásért, a keringési manőverek kiszámításáért és a küldetések ütemezéséért. A fő számítógép a rakományhoz kapcsolódó feladatok elvégzésére is használható, például képfeldolgozás, adatelemzés és adattömörítés.
A helyzetszabályozást biztosító miniatűr alkatrészek lendkerekek, tolómotorok, csillagkövetők, Föld és Nap érzékelők, érzékelők szögsebességek, GPS-vevők és antennák. E rendszerek közül sokat gyakran együtt alkalmaznak a hiányosságok kompenzálására és a redundancia szintjének biztosítására.
Nap- és csillagérzékelőket használnak a műhold irányítására, míg a Föld- és horizontérzékelőre a földi és légköri kutatásokhoz van szükség. Napérzékelőkre is szükség van annak biztosítására, hogy a cubesat maximális napenergiát kapjon.
Ezzel párhuzamosan mozgás is megtörténik különböző formák, amelyek mindegyike tartalmaz miniatűr motorokat, amelyek változó mennyiségű lendületet adnak. A műholdak a Nap, a Föld és a visszavert napfény sugárzási hőjének is ki vannak téve, nem beszélve az összetevőik által termelt hőről.
Ezért a CubeSat szigetelő rétegekkel és hővédelemmel rendelkezik, amely biztosítja, hogy az alkatrészek ne melegedjenek túl, és a felesleges hő eloszlik. Gyakran a hőmérséklet-érzékelők bekapcsolva figyelik a hőmérsékletet.
A kommunikációhoz a cubesat egy VHF, UHF, L-, S-, C- vagy X-sávban működő antennára támaszkodik. Kis méretük miatt két watt energiára korlátozódnak, és fogyatékosok műholdak. Ezek az antennák lehetnek spirálisak, dipólusok vagy monopólusok, bár léteznek bonyolultabb modellek is.
Cubesat mozgás
A CubeSats sokra támaszkodik különféle módszerek mozgalom, ami viszont előrelépéshez vezetett a technológia különböző területein. A leggyakoribb módszerek közé tartozik a hideggáz, a kémiai meghajtás, az elektromos meghajtás és a napvitorlák. A hideggáz tolóereje magában foglalja az inert gáz (például nitrogén) tárolását egy tartályban, és egy fúvókán keresztül a meghajtáshoz.
Ez a legegyszerűbb, leghasznosabb és legbiztonságosabb rendszer, amelyet a cubesat használhat, mivel a legtöbb gáz hideg, és nem illékony és nem korrozív. Ugyanakkor korlátozott hatékonyságot kínálnak, és nem tesznek lehetővé nagy gyorsulást vagy manőverezést. Ezért inkább magasságszabályozó rendszerekben használják, mint főmotorként.
A kémiai hajtórendszerek kémiai reakciókra támaszkodnak a gáz előállításához magas nyomásúés at magas hőmérsékletű, amelyet ezután a fúvókába irányítanak, hogy tolóerőt hozzanak létre. Lehetnek folyékonyak, szilárdak vagy hibridek, és általában vegyi anyagok és katalizátorok vagy oxidálószerek kombinációjából származnak. Ezek a motorok egyszerűek (és ezért miniatűrök), alacsony teljesítményigényűek és nagyon megbízhatóak.
Az elektromos meghajtás elektromos energiára támaszkodik, hogy a töltött részecskéket nagy sebességre gyorsítsa fel. Csarnokhajtóművek, ionhajtóművek, pulzáló plazmahajtóművek – itt minden megtalálható. Ez a fajta tolóerő egyesíti a nagy fajlagos impulzust a nagy hatásfokkal, és összetevői könnyen csökkenthetők. Hátránya, hogy plusz teljesítményt igényelnek, ami azt jelenti, hogy nagyobbra lesz szükség. napelemekés bonyolultabb energiarendszerek.
Napvitorlákat is használnak meghajtásra, amelyek azért hasznosak, mert nem igényelnek üzemanyagot. A napvitorlák a cubesat méretétől függően is méretezhetők, a műholdak kis tömege pedig jelentős gyorsulást eredményez a vitorlából.
A napvitorláknak azonban meglehetősen nagyoknak kell lenniük a műholdhoz képest, ami növeli a mechanikai bonyolultságot és a meghibásodás lehetőségét. Napvitorlával jelenleg nem sok cubesatot szereltek fel, de mivel jelenleg ez az egyetlen olyan módszer, amely nem igényel rakéta-üzemanyagot és nem tartalmaz veszélyes anyagokat, továbbra is fennáll az érdeklődés iránta.
Mivel a motorok miniatűrek, ez többel is jár technikai problémák. Például a tolóerővektorozási műveletek nem lehetségesek kis motoroknál. A tolóerővektor szabályozása több fúvóka aszimmetrikus tolóerejének használatával vagy a tömegközéppontnak a kocka geometriájához viszonyított megváltoztatásával történik.
A CubeSat története
1999 óta a Cal Poly és a Stanford Egyetem CubeSat specifikációkat dolgozott ki, hogy segítse az egyetemeket a világ minden táján az űrbe jutásban. A CubeSat kifejezést olyan nanoműholdakra hozták létre, amelyek megfelelnek a tervezési előírásokban meghatározott szabványoknak.
Ezeknek az előírásoknak az alapjait Jordy Puig-Suary repülőgépmérnök professzor és Bob Twiggs, a Stanford Egyetemről fektették le. Azóta ez a munka több mint 40 intézmény nemzetközi partnerségévé nőtte ki magát, amelyek saját kutatásaik során értékes hasznos terheket fejlesztenek nanoműholdak számára.
A tudományos intézmények kezdetben kis méretük ellenére is jelentősen beszorultak, éveket kénytelenek várni az indulási lehetőségekre. Ezt bizonyos mértékig orvosolta a Cal Poly Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD) megjelenése. A P-POD-okat az indítórakétára szerelik, és pályára bocsátják a cubesats-okat, miután a megfelelő jelet megkapták a hordozótól.
Röviden, a P-POD-ok lehetővé tették számos kocka elindítását egy szigorúan meghatározott időpontban.
Számos vállalat vesz részt a cubesat-gyártásban, köztük a Boeing is. De a legtöbb Az érdeklődés a tudományos közösségből fakad, a sikeresen pályára állított cubesats és a sikertelen küldetések robbanásszerű keveréke. A CubeSatokat számos alkalommal használták létrehozásuk óta.
Például egy automatikus azonosító rendszer telepítése a tengeri hajók megfigyelésére; Távoli földérzékelők; űrkötelek hosszú távú életképességének tesztelésére, biológiai és radiológiai kísérletek elvégzésére.
Az akadémiai és tudományos közösségen belül ezeket az eredményeket megosztják, és széles körű intézményi bevonással és fejlesztői együttműködéssel érik el.
Orazov A.V. 1
Demushkina O.V. 1
1 Önkormányzat költségvetési oktatási intézménye - középfokú általános iskola N50 Oryol
A mű szövegét képek és képletek nélkül közöljük.
Teljes verzió munka elérhető a "Munkafájlok" fülön PDF formátumban
Bevezetés
A Sirius OC által szervezett „Big Challenges” műszak alatt a SiriusSat nanoműholdat frissítettem. Célom egy Raspberry Pi Camera Module v 2.1 kamera telepítése volt a Raspberry pi platformon lévő műholdra. Erről a folyamatról szeretnék beszélni.
A kísérlet célja: kamera felszerelése műholdra és autonóm vezérlés megvalósítása.
A munka szakaszai:
Találkozás a társával.
A kamera telepítésének céljai.
Csatlakozási folyamat.
A kommunikáció kialakítása.
Integráció a műhold fedélzeti számítógépével.
Szoftverfejlesztés.
Adatátvitel CAN buszon keresztül.
A munka elemzése és következtetései.
§1. Néhány szó a műholdról
A csapatunk által fejlesztett BumbleBee műhold (1. melléklet, 1. ábra) a SiriusSat-1 és SiriusSat-2 műholdak továbbfejlesztett analógja volt (1. melléklet, 2. ábra), amelyet a 2017-es „Grand Challenges” műszak során fejlesztettek ki. . Küldetésünk fő különbségei az voltak, hogy sarki pályára akartuk indítani (ellentétben a jelenleg az ISS körül keringő SiriusSats-szal), valamint kísérletet is végeztünk a Raspberry Pi Camera modul v 2.1 használatával (2. melléklet, 1. ábra). ) a világűrben.
§2.Miért telepítsünk kamerát?
A kamera telepítése lehetővé teszi:
a) a műhold térbeli orientációjának helyreállítása kameraképek segítségével,
b) a Föld képének előállítása az űrből.
Természetesen bizonyos százalékban fennáll annak a valószínűsége, hogy a kamera nem tud tiszta képet készíteni, ennek számos oka van, például a földi légkörben lévő nagy energiájú részecskék, amelyek megvilágítják a mátrixot. De ez a kockázat teljesen jogos: viszonylag alacsony áron, a műhold összköltségének kevesebb, mint 1%-áért van esélyünk olcsón beszerezni az űrfotózást!
§3.Csatlakozási folyamat
A kommunikáció kialakítása
Először is „barátkozni” kellett a kamera és a Raspberry Pi 3 processzor között, ehhez kamerát, monitort és billentyűzetet csatlakoztattak az alaplapra, majd a Raspbian operációs rendszer opcióit úgy konfigurálták, hogy támogatja a kamera működését. Ez az operációs rendszer beépített könyvtárral rendelkezik a Python programozási nyelvű kamerával való munkavégzéshez. A legelső képek egy konzolparancs és egy triviális kód használatával készültek ezen a nyelven egy megosztott könyvtár segítségével.
Integráció műholdas fedélzeti számítógéppel
A kamera csatlakoztatása a műholdra nem volt olyan egyszerű. Az űrrepülőgép belsejébe a hibakereséshez használt táblával ellentétben egy Raspberry Pi Compute Module 3 került, melynek programozása speciális chipet igényelt, amivel sajnos nem rendelkeztünk. A modult „szorosan” forrasztották a műholdlapra, ami miatt a kamerához szükséges portokat kézzel kellett eltávolítanunk és forrasztanunk. Ennek eredményeként a tábla a következő megjelenést öltötte – 3. melléklet, 1. ábra.
Szoftverfejlesztés
A kamera és a processzor funkcionalitásának fő követelményei a következők voltak:
a felhasználó kérésére adott felbontású és színes vagy fekete-fehér módú fénykép készítésének lehetősége;
töltsön le egy név szerint kiválasztott fájlt a műhold belső memóriájából;
ismételten próbálkozzon a kiválasztott fájlok letöltésével;
megjeleníti a felhasználó képernyőjén a műhold belső memóriájában elérhető összes kép listáját;
töröljön egy név szerint kiválasztott fájlt a műhold belső memóriájából a memória felszabadítása érdekében;
formátumú műholdkép tárolására.
Nagyon fontos volt megbizonyosodni arról, hogy a műhold „kattintásra” fényképeket készített, majd a képet a földre küldte. Az operációs rendszer lehetővé tette a szabad programozást Pythonban, de úgy döntöttem, megpróbálok kódot írni C++ és C nyelven. Ehhez egy fordítóprogramot kellett telepíteni. Ez nagyjából egy órát vett igénybe, mert... a processzornak nem volt elegendő feldolgozási teljesítménye. Ezenkívül ezt az eljárást többször meg kellett ismételni különböző számítási modulokon.
Az interneten találtam egy C++ könyvtárat, amely lehetővé teszi a fényképezőgép vezérlését és a képek készítését. Minden szükséges funkcióval rendelkezett – állítható képfelbontás és változtatható színmód. Az összes fő funkciót C++-ban írtam, de később át kellett váltanom C-re. A C++-t csak kameravezérlésre kezdték használni. Később elmagyarázom, mi okozta ezt az átmenetet.
A másik probléma az volt, hogy a könyvtár, amit találtam, tömörítetlen bmp formátumban mentett képeket. Körülbelül 100 kb súlyúak alacsony felbontás mellett, ami teljesen elfogadhatatlan. A rendelkezésünkre álló antennák 7000-8000 baud sebességgel tudtak információt továbbítani. Nál nél nagy méretek, nagy a valószínűsége annak, hogy a kép egyszerűen nem tölthető be, és egy el nem fogadott csomag (több száz csomag közül) tönkreteheti az egész képet. A probléma megoldására Python szkriptet használtam, amely a tömörítetlen képeket jpg formátumba konvertálja, és kísérleteket is végeztem fekete-fehér képpel. Egy szürke jpg kép a legalacsonyabb felbontással ~25-ször kisebb súlyú, mint egy színes bmp kép. Ezután hozzáadtam a képrögzítési algoritmushoz az automatikus konvertálást bmp-ről jpg-re, és a kép átnevezését „1.jpg”, „2.jpg” stb. Így ért véget az első ponton végzett munka.
A fájlok listájának képernyőn való megjelenítése szintén a fő C++ fájlból meghívott Python-szkript segítségével valósult meg. Megpróbáltam néhány egyszerű problémát egyszerűen – Python kódok segítségével megoldani.
A fájlok törlésére és a tároló teljes formázására vonatkozó folyamatok előírása sem volt nehéz. A kényelem kedvéért a művelettípusokat adminisztratív (fájlok listázása és törlése, formázás) és operatív (fényképezés és képek letöltése) típusokra osztottam.
Nehezebbnek bizonyult átgondolni a képek csatlakoztatott laptopra való letöltésének összes lehetőségét - nem lesz laptop vagy Wi-Fi hálózat a pályán.
Adatátvitel keresztülTUD gumi
A világűrben a műhold és a Föld közötti kommunikáció antennák segítségével történik. De a Földdel való kommunikáción túl a műholdnak „kommunikálnia” kell belső fedélzeti rendszereivel is (2. ábra, 3. melléklet). Erre a célra egy CAN busszal van felszerelve, amelyet ma már széles körben használnak az autóiparban és az okosotthoni eszközökben.
A CAN protokollon keresztüli információtovábbítás eltér az általunk megszokott módszerektől, például az I 2C protokolltól. A CAN buszokban a jeltípusokat 4 típusra osztják: adatkeret, távoli keret, hibakeret és túlterhelési keret. Nem térek ki mindegyikre, mivel elsősorban az adatkeretet használjuk képek továbbítására. Egy adatkeret nem tud olyan nagy mennyiségű információt közölni, mint a kapott fényképek mérete. Ehhez az információt több csomagra kell felosztani, amelyeket aztán sorra elküldenek az antennán keresztül.
Az információk automatikus töredezettsége egy speciális könyvtárba került a CAN protokollban található információkkal való munkavégzéshez, amelyet a SPUTNIX cég biztosított számunkra. De itt is kiderültek a buktatói – a könyvtárat úgy írták, hogy C-vel működjön, és nem akart „barátkozni” a C++-szal. Ez volt az oka annak, hogy az összes adminisztrációs funkciót áthelyeztem a C-be. Könnyebbnek találtam az egyszerű funkciók megvalósítását a bonyolult fájlátviteli folyamat mellett. És ahogy korábban említettük, a C++-t csak a kamera manipulációs kódjának írására használták.
Ahhoz, hogy a műhold elkezdjen nekünk adatokat továbbítani, „meg kellett kérdezni” róla. Ezért a jeleket antennák vették, amelyek a CAN buszon keresztül továbbították azokat a számítógép processzorához. A „parancsok” műholdas rendszerek általi összetévesztésének elkerülése érdekében mindegyikhez külön egyedi „parancs” számot (ID) rendeltek, amelyet a CAN jel legelején jeleztek. A Raspberry processzorhoz külön „parancs” azonosítókat rendeltünk. A könyvtár nemcsak a jelek küldését, hanem a CAN protokollon keresztüli fogadását is lehetővé tette. Alapértelmezés szerint a szoftver folyamatosan „mondja” a processzornak, hogy a CAN buszon mely parancsokat „hallgassa meg”, és ha a jelazonosító megegyezik a várt azonosítóval, akkor a program beolvassa a parancsadatokat, és ezeknek megfelelően végrehajtja a kívánt műveletet. .
Az elvégzett munka eredménye a szoftver működési algoritmusa, amelyet a 3. számú mellékletben talál (3. ábra).
Következtetés
Így a Sirius OC-n eltöltött hónap során csapatunknak sikerült végrehajtania egy kísérletet, amellyel egy CubeSat műholdhoz 99,5%-ban kameravezérlő rendszereket fejlesztettek ki. Sok akadályba ütköztünk, de egyik sem akadályozott abban, hogy megvalósítsuk céljainkat és elérjük dédelgetett célunkat.
Még soha nem írtam programokat C++ vagy Python nyelven. A C-ben csak az algoritmizálás alapelveit és a kód részstruktúráját ismertem. A kísérleti munka során szerzett tapasztalatok nagyon értékesek lettek számomra.
A munka eredménye a szoftverfunkciók működésének tesztelése volt. A program segített a CAN-buszról érkező jelek következetes rögzítésében és a szükséges parancsok továbbításában. A kapott képek nem voltak jó minőségűek, de a tárgyak körvonalai jól láthatóak voltak rajtuk. A fényképlista megjelenítésének kérésekor az adatok biztonságosan átvitelre kerültek a CAN buszon keresztül, a törlés parancs után pedig a lista újbóli lekérésekor a fájlok számának csökkenése volt tapasztalható. A kép letöltése nagy adatáramlással járt a CAN-busz terminálon, és akkor is előfordult, amikor a kép újbóli letöltését kérték. És ha a tesztelés után sok felesleges fénykép halmozódott fel, a formázási parancs sikeresen törölte őket. Így az összes szükséges funkció a szokásos módon működött.
Irodalom
Könyvtár a kamerával való munkavégzéshez C++ nyelven - https://www.uco.es/investiga/grupos/ava/node/40
Kamera beállítási útmutató - https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-picamera
Egy rövid útmutató a CAN-buszról - http://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160/
Rizs . 1. Nanoszatellit Darázs formátum Cubesat
1. számú melléklet
Rizs. 2. SirusSat-1 és SiriusSat-2 nanoműholdak
Raspberry Pi kameramodul v 2.1
2. függelék
3. függelék
Rizs. 1. Újraforrasztott tábla
Rizs. 2. Műhold összeszerelve
Rizs. 3. Szoftver működési algoritmus
Szerzői
Kosmodemyansky E. V. 1*, Kiricsenko A. S. 1*, Klyushin D. I. 1*, Kosmodemyanskaya O. V. 1 *, Makusev V. V. 1 *, Almurzin P. P. 2 **1. Rakéta és Űrközpont "Progress", st. Zemetsa, 18, Samara, 443009, Oroszország
2. Samara National Research University névadója. akadémikus S.P. Koroleva, Moskovskoe shosse, 34, Samara, 443086, Oroszország
*email: [e-mail védett]
**email: [e-mail védett]
annotáció
A cikk statisztikai adatokat közöl a „CubeSat” formátumú, nanoosztályú kisméretű űrhajók kilövéseiről, beleértve a 2013-as évet is, következtetéseket von le az ilyen osztályba tartozó űrhajók kilövési szolgáltatásai piacának növekedéséről és jelentőségéről, leírja a jelenleg készülő hordozórakétákat. Szövetségi Állami Egységes Vállalat Állami Tudományos Kutatási és Termelési Űrközpont „TsSKB-Progress”, és fejlesztést javasolt a „CubeSat” formátumú kisméretű űrhajó-missziók támogatására. Részletesen ismertetjük a CubeSat formátumú kisméretű űrhajók számára javasolt kilövőeszközt és szállító-kilövő konténert, következtetéseket vonunk le az ilyen formátumú űrhajók indítására irányuló küldetések megszervezésének lehetőségéről új szervezési és technikai technikák alkalmazásával, és hazánk vezető pozícióba kerülésével kapcsolatban ezt a szolgáltatást nyújtja.Kulcsszavak:
kis űrrepülőgép, Cubesat, univerzális platform, indítóeszköz, webes technológiák, szállító- és kilövő konténerBibliográfia
- Michael listája a Cubesat műholdküldetéseiről, elérhető: http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php (Hozzáférés: 2013.07.16.).
- Bryan Klofas, Anderson Jason, Leveque Kyle. A CubeSat kommunikációs rendszerek felmérése, az AMSAT Journal, 2009. november/december, pp. 23-30.
- Wikipédia HU: CubeSats listája , elérhető: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats (Hozzáférés: 2013.07.16.).
Egy kis történelem
A CubeSats története 1999-ben kezdődött, amikor a Caltech és a Stanford Egyetem közösen kidolgozott egy dokumentumot, amely meghatározza a kis műholdak specifikációit. A szabvány meghatározta a műholdak méreteit, tömegét és egyéb paramétereit, valamint a tesztelési és indítási előkészítési eljárásokat. Jelenlegi verzió szabvány elérhető a http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers címen.
Műhold méretek
A CubeSat szabvány specifikációkat határoz meg az 1, illetve 3 egység, 1U és 3U műholdakhoz. A műholdak tömege nem haladja meg a 10 kg-ot, ami a nemzetközi osztályozás szerint a nanoműholdak osztályának felel meg. A gyakorlatban a legszélesebb körben használt műholdak a következő méretűek:
Kijelölés | Méretek | Súly |
---|---|---|
1U | 100x100x113,5 mm | 1,33 kg-ig |
2U | 100x100x226,5 mm | 2,67 kg-ig |
3U | 100x100x340,5 mm | 4 kg-ig |
4U | 100x100x533,5 mm | 5,33 kg-ig |
5U | 100x100x665,5 mm | 6,67 kg |
6U | 100x200x340,5 mm | 8 kg-ig |
Ezeket a méreteket úgy kapjuk meg, hogy a szabványos méreteket egyszerűen megszorozzuk az egység méretével. A gyakorlatban kevésbé gyakoriak a 0,5U és 1,5U köztes műholdak. A méretek úgy vannak méretezve, hogy egy szabványos P-POD kilövő konténer több, összesen 3U méretű műhold befogadására is alkalmas.
P-POD kilövő konténer és három műhold. Fotó a http://www.spaceref.com oldalról
Nem használnak pirotechnikát a műholdak és a hordozórakéta elválasztására, a műholdakat egy rugó tolja ki. Ezt biztonsági okokból teszik, mert alapvetően a kis műholdakat másodlagos terhelésként bocsátják pályára nagyobb társaik társaságában. A nanoműholdas rendszerek esetleges meghibásodásai nem okozhatnak kárt a fő járműben.
Műholdas tervezés
Szerkezetileg a műholdak egy eloxált alumíniumból készült keret. A 4 oldal sínek, amelyek mentén a műhold elcsúszik a hordozórakétától való leválasztás pillanatában. Az oldalfelületeket napelemek borítják. A vevő és adó antenna is ott található.
Napelemek elhelyezési lehetőségei. Fotó a http://www.clyde-space.com webhelyről
A ház belsejében nyomtatott áramköri kártyák találhatók különféle műholdas rendszerekhez és rakományokhoz.
Az alaprendszerek a következők:
- CPU modul
- Rádiócsatorna és antenna adagoló eszközök
- Áramellátás, akkumulátorok és töltésvezérlő, napelemek
- Választható. Műholdas helyzetmeghatározó rendszer
- Választható. Műholdas helyzetkorrekciós rendszer
Tól től alaprendszer A rendszerbusz kimenete, amelyre a hasznos kártyák csatlakoznak. A rendszerbusz tápvezetékeket és kommunikációs interfészeket tartalmaz. A rakomány hozzáférést kap egy rádiócsatornához, hogy az összegyűjtött adatokat visszaküldje a Földre.
A hasznos teher összetétele
A hasznos teher leggyakrabban kamerákat, valamint különféle érzékelőket tartalmaz. A kis űrjárműveket a Föld mágneses és gravitációs mezőinek megváltoztatására, a Föld-közeli térben lévő töltött részecskék összetételének és számának mérésére (AAUsat2), valamint a földrengések előrejelzésére (QuakeSat) használják. Még egy biokémiai kísérletet is végeztek baktériumokkal a CubeSat műhold (GeneSat1) fedélzetén. A nanoműholdakat gyakran használják elektronikus alkatrészek, tervezési és technológiai megoldások valós űrben való tesztelésére, majd nagyobb űrhajók gyártásában való felhasználására. A kutatók fantáziájának általában csak egy kis űrhajó fedélzetén biztosított méretek, súly és energiaképesség szab határt.
Ár kérdése
A CubeSat specifikáció tartalmazott egy ideológiát, amelynek koncepciója több posztulátumon alapul.
- A műholdfejlesztési idő 1-2 évre csökkentése. A tervezés szabványosításával érhető el.
- A műholdgyártás költségeinek csökkentése. Ez az úgynevezett COTS komponensek széleskörű elterjedésével érhető el, pl. hagyományos elektronika a speciális térelektronikai alkatrészek helyett.
- Egyetemisták és végzős hallgatók bevonása a fejlesztés érdekében.
Ennek eredményeként a Wikipédia (en.wikipedia.org/wiki/CubeSat) szerint egy 1U méretű CubeSat műhold fejlesztésének költsége 65-80 ezer dollárba kerül, ebből 40 ezer dollár a műhold pályára állítása. Az egyik holland cég honlapján az 1U műhold összeszereléséhez szükséges készlet ára 39 000 euró. A készlet tartalma: ház, fedélzeti számítógép kártya, tápegység akkumulátorokkal, 6 napelem panel, 144/433 MHz-es adó-vevő, antennarendszer. Ezt a csomagot alapplatformnak hívjuk. Ez több nagyságrenddel kevesebb, mint a „hagyományos” műholdak költsége, amelyek költségvetése több millió dollárt tesz ki.
Az indítás viszonylag alacsony költsége lehetővé tette, hogy a Cubesat szabvány a világ egyik legelterjedtebb műholdas platformjává váljon. 2003 júniusa és 2012 februárja között több mint 60 Cubesat műholdat bocsátottak fel. http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php. A legtöbb kis műhold kilövést rakétákkal hajtották végre Orosz termelés a plesetszki és a bajkonuri kozmodrómból.
Amikor a cubesats nagyokká vált 2015. április 14-én
A CubeSat a mikro- és nanoműholdak méretszabványa, amelyet 1999-ben javasoltak az Egyesült Államokban. Az elmúlt 15 év során az egységes szabvány gondolata nagymértékben megváltoztatta a pilóta nélküli űrhajózás arculatát, és lehetőséget nyitott magáncégek, hobbibarátok, diákok és még iskolások számára is, hogy viszonylag olcsón készítsenek űrjárműveket. A CubeSatnak köszönhetően sok olyan ország, amelynek költségvetése nem támogatta a hagyományos asztronautikát, saját első űrhajójával büszkélkedhetett.
A CubeSat különlegessége a fix méretei, amelyek többszörösét változtatják, pl. A CubeSat 1U (egység) egy 10x10x10 cm-es térkocka, a 2U már két kocka, i.e. 10x10x20 cm, 3U - 10x10x30 cm.Eddig 6U vagy 10x20x30 cm az elért határ.Számos szerkezeti elem, akkumulátorok, táblák, szenzorok, kommunikációs rendszerek a CubeSat szabványok szerint lettek kifejlesztve... Folyamatosan rukkolnak elő valami újjal, vagy egy szublimációs motor vagy egy elektromágneses vitorla, majd a plazmamotor. A valódi napvitorlákkal felszerelt CubeSatokat most készítik elő az indulásra.
A CubeSats ipari minőségű elektronikából készül, pl. olyat, amelyet a Földön való használatra szántak, és nem az űrre készültek. Ennek ellenére a modern chipek képességei lehetővé teszik számukra, hogy látszólag alkalmatlan körülmények között dolgozzanak. Lehet, hogy nem tartanak sokáig, de akár egy évig, vagy akár többszörösen is biztosítják a készülékek működését. Ma már egész online elektronikai boltok állnak rendelkezésre a CubeSats számára, bár ez még mindig messze van a modern számítógépek szintjétől, amelyeket egy este alatt darabonként meg lehet vásárolni és otthon összeszerelni. Ennek ellenére alaposan le kell tesztelni a rendszerek kompatibilitását, szoftvert írni, forrasztani, hibakeresni, általában több mérnöknek lesz elég munka több mint egy hónapra. A Szputnyik cég munkatársai minden nehézségről jól írtak.
A nehézségek ellenére a CubeSatokkal sokkal egyszerűbb dolgozni, mint a hagyományos asztronautikában, és igazi áttörést jelentettek az űrbe több száz diák, tucatnyi rajongó, tudós és üzletember számára.
A CubeSat szabványos méretei nagyban leegyszerűsítik az űrbe való kilövés folyamatát. Itt nem csak a kis méretük és súlyuk a lényeg. Általában úgy gondolják, hogy a műhold kilogrammban kifejezett tömege határozza meg az indítási költségét. De ha olyan jelentéktelen mutatókról van szó, mint 1-3-9 kg, akkor az ún alkalmazkodás. Hiszen nem elég egy műholdat a rakétához csatlakoztatni, akkor azt a megfelelő időben, a megfelelő magasságban és a megfelelő gyorsulással kell kilőni. A közönséges műholdakhoz, még a kicsikhez is, külön munkát kell végezni, és olyan adaptert kell tervezni, amely lehetővé teszi, hogy egy adott műholdat egy adott rakétával vagy felső fokozattal kombináljon. A CubeSat esetében a probléma egy speciális tároló adaptálásával oldódik meg.
Elég egyszer hozzáigazítani a tartályt egy adott rakétához vagy felső fokozathoz, majd minden indításkor ezt a sémát használni.
Például Oroszországban jelenleg a Dauria Aerospace magáncég és a róla elnevezett nonprofit szervezet. Lavochkina a CubeSat konténerek Fregathoz való adaptálásán dolgozik.
Ennek eredményeként a Roscosmos rakéták kilövése során könnyebb lesz a CubeSats elindítása. Korábban több tucat „kockát” lőtt fel az orosz-ukrán Dnyepr átalakító rakéta, most azonban a Roszkozmosz elhagyja, hogy munkával terhelje meg az orosz gyártókat.
Még mindig van lehetőség cubesat-ok elindítására az Internationalről űrállomás. Erre a célra az amerikai szegmenst a NanoRacks magánűrcég speciális robotrendszerével szerelték fel. A rendszer lehetővé teszi a kockahajók kötegelt indítását, és nincs szükség űrhajósokra a világűrbe.
Az orosz szegmensből a CubeSatokat egyedileg és klasszikus módon indítják el.
Az ISS-ről való kilövés sok problémát megold: egyszerűbb és olcsóbb, mint a rakéták, nem igényel adaptációt, sőt konténert sem. A legtöbb CubeSat az állomásról indul. De itt is vannak problémák. A műholdakat teherhajók fedélzetére szállítják, és hetekig vagy akár hónapokig is leülhetnek a kilövés előtt, amitől a fedélzeti akkumulátor lemerül, és a műhold halott marad. Az űrhajósok nem tudnak mindenkit feltámasztani, bár igyekeznek.
Az állomásról való kilövés másik problémája a műhold rövid élettartama. Az ISS magasságában még mindig viszonylag erős a földi légkör fékező hatása, így a kis kockák is kevesebb mint két évig bírják, és ha a műholdnak összecsukható napelemei is vannak, akkor még egy évig sem repülnek. Ez mindenkinek örömet okoz, aki aggódik a tér tisztaságáért, de felháborítja a készülékek készítőit, akik szeretnének tovább dolgozni a műholddal, tesztelni a berendezést és kideríteni annak maximális képességeit.
A magasabb és hosszabb ideig tartó kilövéshez konténer kell, és megfelelő rakéta keresése. A konténer pénzbe kerül, és sokba, bár úgy tűnik, hogy ez csak egy fedelű alumínium doboz. A konténerrel együtt a CubeSat indítási költsége 40 ezer és 100 ezer dollár között változhat, és ez csak 1 egységre vonatkozik. Ez azonban elkerülhetetlen költség, ha egy olyan műhold felbocsátása a cél, amelynek hosszú ideig és nyereségesen kell működnie.
Most az előnyökről. A cubesats első évtizede egyetemi zászlók alatt telt. Egyik-másik egyetem hallgatói (többnyire amerikai vagy brit) összerakták a kockáikat, őket követték a japán rádióamatőrök. A szakmai környezetben pedig kialakult egy sztereotípia a CubeSat-ről, mint valami komolytalan szórakozásról, amely összeegyeztethetetlen alkalmazott feladatokat. Valóban, itt a felnőtt férfiak éveket töltenek egy tonnás vagy annál nagyobb készülékek összeszerelésével, és néhány diák néhány hónap alatt kilós magassugárzót szegecsel.
Ugyanakkor a cubesat első generációi lehetővé tették számos technológiai megoldás kidolgozását, több tucat különböző sémának és elrendezésnek a kipróbálását, valamint a hasznos teherműszerek tesztelését. A 21. század második évtizedére pedig kiderült, hogy még az ilyen gyerekek is alkalmasak komoly munkára. Valójában most forradalom zajlik a szemünk előtt.
Az egyik első a Planet Labs volt, amely úgy döntött, hogy teljes üzletét cubesatokra építi. 2013-ban felbocsátottak egy pár Dove műholdat, amelyek bizonyították képességeiket. Méretük 3U, azaz. 10x10x30 cm Ezekben a mikroszkopikus, kozmonautikai mércékkel mért méretekben a fejlesztők nem csak egy 90 mm-es távcsövet és egy fotómátrixot tudtak elhelyezni, hanem egy háromtengelyes orientációs rendszert is, amely három lendkerekes motorból és mágnestekercsekből állt. Az eredmény egy teljes értékű földi távérzékelő eszköz lett, akkora, mint egy közönséges fényképes tükörreflexes.
Most készülékeik kiváló minőségű képeket készítenek, amelyeket galériájukban megcsodálhatnak.
Összehasonlításképpen egy fénykép egy 450 kg súlyú „igazi” készülékről
Természetesen a Doves megbízhatósága és teljesítménye lényegesen alacsonyabb, mint a hagyományos műholdaké, de az ára és a tucatnyi felbocsátási képességük remek kilátásokat nyit. Ugyanakkor minden új generáció megbízhatósága növekszik, mert a mérnökök hatalmas mennyiségű adatot kapnak a rendszerekről, és gyorsan ki tudják cserélni a megbízhatatlan elemeket. Azok. A repülési tesztelés és fejlesztés sokkal gyorsabban zajlik, mint a nagy eszközök esetében.
Most a Planet Labs csaknem 140 millió dollár befektetést vonzott, és most a fő feladatuk a földi infrastruktúra újjáépítése és hatékony módszerek megtalálása a műholdas adatok bevételszerzésére. Céljuk a Google Maps naponta frissített analógja.
A Planet Labsról már többször beszéltem, de jobban szeretek egy másik példát egy olyan cégre, amely az Arduino szerelmeseinek köréből nőtt ki. Először a KickStarteren terjesztették elő az ArduSat nanoműhold létrehozásának ötletét. A közösségnek annyira megtetszett az ötlet, hogy miután kértek egy műholdat, kettőt is kaptak. Azzal az ötletükkel hívták fel magukra a figyelmet, hogy térítés ellenében mindenki számára biztosítsák a műholdak irányítását. Még az indulás előtt, egy sikeres adománygyűjtő kampány után megtalálták az első befektetőket. Még a Mail.Ru orosz vezérigazgatója és alapítója, Dmitrij Grisin is befektetett beléjük, bár „csak” 300 ezer dollárt különített el, a műholdak felbocsátásának és tesztelésének eredményeiről nem beszéltek különösebben, hanem gyorsan átkeresztelték NanoSatisfy-ről Spire-re. és 20 millió dolláros befektetést vonzott egy teljes műholdas hálózat több tucat eszközben történő kiépítésére. Weboldaluk alapján kiterjedt alacsony pályás hálózatot fognak kiépíteni az AIS-adatok fogadására.
Az eredmény egy gyorsan frissített térkép lesz a hajók mozgásáról a tengereken és óceánokon. Ilyen szolgáltatások továbbra is léteznek, de főként parti állomások alapján működnek, és kevesebb mint kéttucat AIS műhold kering a pályán. A Spire 100-at akar indítani.
Ha már az AIS-ről beszélünk, néhány kockahajónk is kering a pályán - Perseus-M - ez a Dauria Aerospace amerikai és orosz részlegének közös fejlesztése. Munkatársaink részt vettek a szoftver átfogó tervezésének, elrendezésének és írásának kidolgozásában. A műhold mérete 6U, a rakomány is AIS szenzor, 2014 júniusa óta repül. A teherbírás tesztelése éppen most fejeződött be, és a műholdak elkészítették saját térképüket a globális szállításról. Most egy földi állomáshálózat kiépítésére készülünk, hogy megkezdjük a kereskedelmi minőségű üzemi adatok szolgáltatását.
A Dauria célja azonban nem az AIS üzlet. Ezeket az érzékelőket egyszerűen a műholdas platform tesztelésére választották. A lehetőségei pedig sokkal nagyobbak, beleértve a fényképezőgép elhelyezésének lehetőségét is. Valójában a Perseus-M fejlesztése során szerzett tapasztalatok alapján a Dauria orosz részlege a Roszkozmosz megbízásából két műholdat hoz létre a CubeSat szabványban. Ezek sokkal összetettebb eszközök, háromtengelyes tájolású, multispektrális kamerával és nagy teljesítményű Ka-sávos adóval.
A jövőben a vállalat készen áll a platform adaptálására különböző fajták rengeteg tudományos és alkalmazott célokat. Saját konténerünket is fejlesztjük, így hamarosan a Roscosmos teljes körű szolgáltatást tud nyújtani, ha valakinek CubeSat piacra kell dobnia. Például Lavochkin „Frigattja” a Marsra és a Vénuszra is eljuthat, csak meg kell várni az elhaladó repülést.
Az orosz „Lin Industrial” startup egy speciális mikrorakéta megalkotására vállalkozott, csak cubesat indítására. Nem valószínű, hogy 100 ezer dollár alatt kijön, de érdekes lehet azokon a pályákon, ahol nem lehet mellesleg repülni, vagy ahol sokat kell várni a lehetőségre.