Innowacyjny format organizacji misji mających na celu wystrzelenie małych statków kosmicznych. Jak działają CubeSaty? (6 zdjęć) Skład ładunku
Jedną z charakterystycznych cech współczesnej ery eksploracji kosmosu jest jej otwarty charakter. W przeszłości przestrzeń kosmiczna była granicą dostępną jedynie dla dwóch krajowych agencji kosmicznych – programu amerykańskiego i radzieckiego. Ale dzięki rozwojowi nowych technologii i obniżeniu kosztów w niektórych aspektach segment komercyjny już aktywnie oferuje własne usługi polegające na wystrzeleniu czegoś w przestrzeń kosmiczną.
Ponadto instytucje naukowe i małe państwa budują własne satelity do prowadzenia badań atmosfery, obserwacji Ziemi i testowania nowych technologii kosmicznych. Jest to więc CubeSat („cubesat”), miniaturowy satelita, który pozwala na prowadzenie całkiem niedrogich badań kosmicznych.
CubeSaty, znane również jako nanosatelity, mają standardowe wymiary 10 x 10 x 11 centymetrów (1U) i, jak sama nazwa wskazuje, mają kształt sześcianu. Są skalowalne i dostępne w różnych wersjach - 1U, 2U, 3U lub 6U. Taki satelita waży 1,33 kg na U. CubeSaty o wielkości powyżej 3U to duże prototypy składające się z trzech kostek umieszczonych w cylindrze.
W ostatnie lata W ofercie znalazły się także większe platformy CubeSat, w tym model 12U (20 x 20 x 30 centymetrów). Rozszerzyłoby to możliwości kosatów poza badania akademickie i przetestowałoby nowe technologie, w tym bardziej złożone nauki i obronność.
Głównym powodem miniaturyzacji satelitów jest zmniejszenie kosztów rozmieszczenia oraz możliwość ich rozmieszczenia przy wykorzystaniu pozostałej mocy rakiety. Pozwala to ograniczyć różne ryzyka, a także znacznie przyspieszyć proces uruchomienia.
Można je również wykonać z gotowych, komercyjnych komponentów elektronicznych, co jest stosunkowo łatwe. Zazwyczaj misje Cubesat są wystrzeliwane na najniższą orbitę okołoziemską, a po kilku dniach lub tygodniach ponownie wchodzą do atmosfery, co pozwala im zignorować promieniowanie i korzystać z konwencjonalnego sprzętu, np. ze sklepu z elektroniką.
CubeSaty są wykonane z czterech określonych rodzajów stopów aluminium, aby mieć pewność, że mają taki sam współczynnik rozszerzalności cieplnej jak rakieta nośna. Satelity są również pokryte na wszystkich powierzchniach ochronną warstwą tlenku, która zapobiega spawaniu na zimno w miejscach o wysokim ciśnieniu.
Komponenty CubeSata
CubeSaty są często wyposażone w wiele komputerów pokładowych do celów badawczych, a także do kontroli położenia, silników odrzutowych i komunikacji. Z reguły obfitość komputerów pokładowych pozwala na redystrybucję obciążenia w przypadku nadmiaru danych. Główny komputer jest odpowiedzialny za delegowanie zadań innym komputerom — na przykład kontrolę położenia geograficznego, obliczanie manewrów orbitalnych i planowanie misji. Główny komputer może być również używany do wykonywania zadań związanych z ładunkiem, takich jak przetwarzanie obrazu, analiza danych i kompresja danych.
Miniaturowe komponenty zapewniające kontrolę położenia składają się z kół zamachowych, silników odrzutowych, urządzeń do śledzenia gwiazd, czujników Ziemi i Słońca oraz czujników prędkości kątowe, odbiorniki GPS i anteny. Wiele z tych systemów jest często używanych w połączeniu w celu kompensacji braków i zapewnienia poziomu redundancji.
Do prowadzenia satelity wykorzystywane są czujniki słońca i gwiazd, natomiast do badań ziemskich i atmosferycznych potrzebny jest czujnik Ziemi i horyzontu. Potrzebne są również czujniki słoneczne, aby zapewnić, że kostkasat otrzyma maksymalną energię słoneczną.
W tym samym czasie następuje ruch Różne formy, z których wszystkie zawierają miniaturowe silniki, które zapewniają różną ilość pędu. Satelity są również narażone na ogrzewanie radiacyjne pochodzące od Słońca, Ziemi i odbitego światła słonecznego, nie wspominając o ciepłu wytwarzanym przez ich elementy.
Dlatego CubeSat posiada warstwy izolacyjne i zabezpieczenie termiczne, które dba o to, aby elementy nie nagrzewały się zbytnio i aby nadmiar ciepła został odprowadzony. Często czujniki temperatury zostaną włączone w celu monitorowania temperatury.
Do komunikacji kostek wykorzystuje antenę działającą w pasmach VHF, UHF, L, S, C lub X. Ze względu na swój mały rozmiar i moc ograniczają się do dwóch watów energii niepełnosprawności satelity. Anteny te mogą być spiralne, dipolowe lub monopolowe, chociaż dostępne są również bardziej złożone modele.
Ruch Cubesata
CubeSats polegają na wielu różne metody ruchu, co z kolei doprowadziło do postępu w różnych obszarach techniki. Do najpowszechniejszych metod należą zimny gaz, napęd chemiczny, napęd elektryczny i żagle słoneczne. Ciąg zimnego gazu polega na przechowywaniu gazu obojętnego (takiego jak azot) w zbiorniku i uwalnianiu go przez dyszę w celu napędu.
Jest to najprostszy, najbardziej użyteczny i najbezpieczniejszy system, z jakiego może korzystać Cubesat, ponieważ większość gazów jest zimna, nie lotna ani żrąca. Jednakże oferują one również ograniczoną wydajność i nie pozwalają na duże przyspieszenie ani zwrotność. Dlatego są stosowane w systemach kontroli wysokości, a nie jako silniki główne.
Chemiczne układy napędowe opierają się na reakcjach chemicznych, w wyniku których powstaje gaz wysokie ciśnienie i o godz wysoka temperatura, który jest następnie kierowany do dyszy w celu wytworzenia ciągu. Mogą być płynne, stałe lub hybrydowe i zwykle sprowadzają się do połączenia substancji chemicznych i katalizatorów lub utleniaczy. Silniki te są proste (a zatem miniaturowe), mają niskie zapotrzebowanie na moc i są bardzo niezawodne.
Napęd elektryczny wykorzystuje energię elektryczną do przyspieszania naładowanych cząstek do dużych prędkości. Silniki Halla, silniki jonowe, impulsowe silniki plazmowe – to wszystko jest tutaj. Ten rodzaj ciągu łączy w sobie wysoki impuls właściwy z dużą wydajnością, a jego składowe można łatwo redukować. Wadą jest to, że wymagają dodatkowej mocy, co oznacza, że potrzebne będą większe. panele słoneczne i bardziej złożone systemy zasilania.
Do napędu wykorzystywane są również żagle słoneczne, które są przydatne, ponieważ nie wymagają paliwa. Żagle słoneczne można także skalować w zależności od wielkości sześcianu, a niewielka masa satelitów skutkuje znacznym przyspieszeniem od żagla.
Jednak żagle słoneczne muszą być dość duże w porównaniu z satelitą, co zwiększa złożoność mechaniczną i ryzyko awarii. Obecnie niewiele kostek jest wyposażonych w żagiel słoneczny, ale ponieważ jest to obecnie jedyna metoda, która nie wymaga paliwa rakietowego i nie wiąże się z materiałami niebezpiecznymi, zainteresowanie nią nie ustaje.
Ponieważ silniki są miniaturowe, jest ich kilka problemy techniczne. Na przykład operacje wektorowania ciągu nie są możliwe w przypadku małych silników. Wektor ciągu jest sterowany za pomocą asymetrycznego ciągu z wielu dysz lub poprzez zmianę środka masy w stosunku do geometrii sześcianu.
Historia CubeSata
Od 1999 roku Cal Poly i Uniwersytet Stanforda opracowują specyfikacje CubeSat, aby pomóc uniwersytetom na całym świecie dostać się w przestrzeń kosmiczną. Termin CubeSat został ukuty w odniesieniu do nanosatelitów spełniających standardy określone w specyfikacjach projektowych.
Podstawy pod te specyfikacje stworzyli profesor inżynierii lotniczej Jordy Puig-Suary i Bob Twiggs z Uniwersytetu Stanforda. Od tego czasu prace te przekształciły się w międzynarodowe partnerstwo ponad 40 instytucji, które w trakcie prowadzenia własnych badań opracowują cenne ładunki dla nanosatelitów.
Początkowo, pomimo niewielkich rozmiarów, instytucje naukowe były znacznie ograniczone, zmuszone czekać latami na możliwości wystrzelenia. W pewnym stopniu problem ten został rozwiązany poprzez pojawienie się urządzenia orbitalnego Poly-PicoSatellite (P-POD) firmy Cal Poly. P-POD-y są montowane na rakiecie startowej i wystrzeliwują satelity na orbitę, uwalniając je po otrzymaniu prawidłowego sygnału od nośnika.
Krótko mówiąc, P-POD-y umożliwiły wystrzelenie wielu kostek w ściśle określonym czasie.
Istnieje wiele firm zajmujących się produkcją kostek, w tym Boeing. Ale większość zainteresowanie wynika ze społeczności naukowej, z wybuchową mieszaniną pomyślnie wyniesionych na orbitę satelitów typu „cubesat” i nieudanych misji. CubeSaty były używane wielokrotnie od chwili ich powstania.
Na przykład wdrożenie systemu automatycznej identyfikacji do monitorowania statków morskich; zdalne czujniki uziemienia; do testowania długoterminowej żywotności uwięzi kosmicznych oraz do przeprowadzania eksperymentów biologicznych i radiologicznych.
Wyniki te są udostępniane i osiągane w społeczności akademickiej i naukowej dzięki szerokiemu zaangażowaniu instytucjonalnemu i współpracy twórców.
Orazov A.V. 1
Demushkina O.V. 1
1 Miejska budżetowa placówka oświatowa – średnia Szkoła ogólnokształcąca N50 Oryol
Tekst pracy publikujemy bez obrazów i formuł.
Pełna wersja praca dostępna jest w zakładce „Pliki Pracy” w formacie PDF
Wstęp
Podczas zmiany „Wielkie Wyzwania” zorganizowanej przez OC Syriusza modernizowałem nanosatelitę SiriusSat. Moim celem była instalacja kamery Raspberry Pi Camera Module v 2.1 na satelicie na platformie Raspberry pi. Chciałbym porozmawiać o tym procesie.
Cel eksperymentu: zainstalowanie kamery na satelicie i wdrożenie autonomicznego sterowania nią.
Etapy pracy:
Spotkanie z towarzyszem.
Cele instalacji kamery.
Proces połączenia.
Nawiązanie komunikacji.
Integracja z komputerem pokładowym satelity.
Rozwój oprogramowania.
Transmisja danych poprzez magistralę CAN.
Analiza pracy i wnioski.
§1. Kilka słów o satelicie
Tworzony przez nasz zespół satelita BumbleBee (Załącznik 1, Rysunek 1) miał być ulepszonym analogiem satelitów SiriusSat-1 i SiriusSat-2 (Załącznik 1, Rysunek 2), opracowanym w ramach zmiany „Wielkich Wyzwań” w 2017 roku . Główne różnice w naszej misji polegały na tym, że chcieliśmy wynieść ją na orbitę polarną (w przeciwieństwie do satelitów SiriusSat, które obecnie krążą wokół ISS), a także przeprowadzić eksperyment z wykorzystaniem modułu Raspberry Pi Camera v 2.1 (Załącznik 2, Rysunek 1 ) W przestrzeni kosmicznej.
§2.Po co instalować kamerę?
Zainstalowanie kamery umożliwia:
a) przywrócenie orientacji satelity w przestrzeni na podstawie obrazu z kamer,
b) uzyskanie obrazu Ziemi z kosmosu.
Oczywiście istnieje pewien procent prawdopodobieństwa, że kamera nie będzie w stanie uzyskać wyraźnego obrazu; przyczyn jest wiele, na przykład wysokoenergetyczne cząstki w atmosferze ziemskiej, które mogą oświetlić matrycę. Ale to ryzyko jest w pełni uzasadnione: za stosunkowo niewielką cenę wynoszącą niecałe 1% całkowitego kosztu satelity mamy szansę zdobyć tani sposób na fotografowanie kosmosu!
§3.Proces połączenia
Nawiązanie komunikacji
Przede wszystkim należało „zaprzyjaźnić się” pomiędzy kamerą a procesorem Raspberry Pi 3. W tym celu do płytki podłączano kamerę, monitor i klawiaturę, a następnie konfigurowano opcje systemu operacyjnego Raspbian tak, aby wspomagają działanie aparatu. Ten system operacyjny posiada wbudowaną bibliotekę do pracy z kamerą w języku programowania Python. Pierwsze obrazy uzyskano za pomocą polecenia konsoli i trywialnego kodu w tym języku, korzystając z udostępnionej biblioteki.
Integracja z satelitarnym komputerem pokładowym
Podłączenie aparatu do satelity nie było takie proste. W przeciwieństwie do płytki służącej do debugowania, wewnątrz statku kosmicznego zainstalowano Raspberry Pi Compute Module 3, którego zaprogramowanie wymagało specjalnego chipa, którego niestety nie mieliśmy. Moduł został „na szczelnie” wlutowany w płytkę satelitarną, przez co musieliśmy ręcznie wymontować i wlutować porty wymagane dla kamery. W rezultacie tablica przyjęła następujący wygląd - Załącznik 3, Rysunek 1.
Rozwój oprogramowania
Głównymi wymaganiami dotyczącymi funkcjonalności aparatu i procesora były:
możliwość wykonania na życzenie użytkownika zdjęcia o zadanej rozdzielczości i trybie kolorowym lub czarno-białym;
pobierz wybrany imiennie plik z pamięci wewnętrznej satelity;
podejmować wielokrotne próby pobrania wybranych plików;
wyświetlić na ekranie użytkownika listę wszystkich dostępnych obrazów w pamięci wewnętrznej satelity;
usuń wybrany po nazwie plik z pamięci wewnętrznej satelity, aby zwolnić pamięć;
format zapisu obrazu satelitarnego.
Bardzo ważne było to, aby satelita wykonywał zdjęcia „na kliknięcie”, a następnie wysyłał je na ziemię. System operacyjny pozwalał na swobodne programowanie w Pythonie, ja jednak zdecydowałem się spróbować napisać kod w C++ i C. Wymagało to zainstalowania kompilatora. Zajęło to około godziny, ponieważ... procesor nie miał wystarczającej mocy obliczeniowej. Ponadto procedurę tę trzeba było powtórzyć kilka razy na różnych modułach obliczeniowych.
W Internecie znalazłem bibliotekę C++, która pozwala mi sterować aparatem i robić zdjęcia. Miał całą potrzebną nam funkcjonalność - regulowaną rozdzielczość obrazu i zmienne tryby kolorów. Cała główna funkcjonalność została napisana w C++, ale później musiałem przejść na C. C++ zaczęto używać tylko do sterowania kamerą. Później wyjaśnię, co spowodowało to przejście.
Innym problemem było to, że biblioteka, którą znalazłem, zapisywała obrazy w nieskompresowanym formacie bmp. Ważyły około 100 kb przy niskiej rozdzielczości, co było całkowicie nie do przyjęcia. Anteny, którymi dysponujemy, mogły przesyłać informacje z prędkością 7000-8000 bodów. Na duże rozmiary, istniało duże prawdopodobieństwo, że obraz po prostu nie mógł zostać załadowany i jeden nieakceptowany pakiet (spośród kilkuset pakietów) mógł zrujnować cały obraz. Aby rozwiązać ten problem, użyłem skryptu w Pythonie, który konwertuje nieskompresowane obrazy do formatu jpg, a także przeprowadziłem eksperymenty z obrazem czarno-białym. Szary obraz jpg w najniższej rozdzielczości ważył około 25 razy mniej niż kolorowy obraz bmp. Następnie do algorytmu przechwytywania obrazu dodałem automatyczną konwersję z bmp do jpg i zmieniłem nazwę obrazu na „1.jpg”, „2.jpg” itp. Tak zakończyła się praca nad pierwszym punktem.
Wyświetlanie listy plików na ekranie zostało również zaimplementowane przy użyciu skryptu Pythona wywoływanego z głównego pliku C++. Próbowałem po prostu rozwiązać kilka prostych problemów - używając kodów Pythona.
Przepisanie procesów usuwania plików i całkowitego formatowania pamięci również nie było trudne. Dla wygody rodzaje operacji podzieliłem na administracyjne (listowanie i usuwanie plików, formatowanie) i operacyjne (robienie zdjęć i pobieranie obrazów).
Trudniej okazało się przemyślenie wszystkich możliwości pobierania zdjęć na podłączony laptop - na orbicie nie będzie laptopa ani sieci Wi-Fi.
Przesyłanie danych przezMÓC opona
W przestrzeni kosmicznej komunikacja między satelitą a Ziemią odbywa się za pomocą anten. Jednak oprócz komunikacji z Ziemią satelita musi także „komunikować się” ze swoimi wewnętrznymi systemami pokładowymi (rysunek 2, załącznik 3). W tym celu wyposażono go w magistralę CAN, która jest dziś powszechnie stosowana w branży motoryzacyjnej oraz urządzeniach inteligentnego domu.
Przesyłanie informacji protokołem CAN różni się od metod, do których jesteśmy przyzwyczajeni, np. protokołu I 2C. W magistralach CAN typy sygnałów dzielą się na 4 typy: ramka danych, ramka zdalna, ramka błędu i ramka przeciążenia. Nie będę się rozwodzić nad każdym z nich, ponieważ ramki danych używamy głównie do przesyłania obrazów. Ramka danych nie jest w stanie przekazać dużej ilości informacji porównywalnej z rozmiarem otrzymanych przez nas zdjęć. Aby to zrobić, informacja musi zostać podzielona na wiele pakietów, które następnie są kolejno przesyłane przez antenę.
Automatyczną fragmentację informacji uwzględniono w specjalnej bibliotece do pracy z informacjami w protokole CAN, którą udostępniła nam firma SPUTNIX. Ale i tutaj ujawniły się jej pułapki - biblioteka została napisana do pracy z C i nie chciała być „przyjazna” z C++. To był powód przeniesienia wszystkich funkcji administracyjnych do C. Łatwiej mi było wdrożyć proste funkcje wraz ze złożonym procesem przesyłania plików. Jak wspomniano wcześniej, C++ był używany tylko do pisania kodu manipulującego kamerą.
Aby satelita zaczął przesyłać do nas dane, trzeba było go o to „zapytać”. Sygnały odbierane były więc przez anteny, które poprzez magistralę CAN przesyłały je do procesora komputera. Aby wyeliminować możliwość pomylenia „poleceń” przez systemy satelitarne, każdemu z nich przypisano odrębny, unikalny numer „poleceń” (ID), wskazany na samym początku sygnału CAN. Dla procesora Raspberry przydzielono osobne identyfikatory „poleceń”. Biblioteka umożliwiła nie tylko wysyłanie sygnałów, ale także ich odbiór poprzez protokół CAN. Domyślnie oprogramowanie stale „mówi” procesorowi, aby „nasłuchiwał”, jakich poleceń na magistrali CAN i jeśli identyfikator sygnału będzie zgodny z oczekiwanym identyfikatorem, wówczas program odczytuje dane poleceń i zgodnie z nimi wykonuje żądaną akcję .
Efektem wykonanych prac był algorytm działania oprogramowania, który można znaleźć w Załączniku 3 (Rysunek 3).
Wniosek
Tak więc w ciągu miesiąca spędzonego w Sirius OC naszemu zespołowi udało się wdrożyć eksperyment mający na celu opracowanie systemów sterowania kamerami dla satelity CubeSat o 99,5%. Napotkaliśmy wiele przeszkód, ale żadna z nich nie przeszkodziła nam w realizacji naszych celów i osiągnięciu upragnionego celu.
Nigdy wcześniej nie pisałem programów w C++ ani Pythonie. Znałem jedynie podstawowe zasady algorytmizacji i częściową strukturę kodu w C. Doświadczenia zdobyte podczas prac eksperymentalnych stały się dla mnie bardzo cenne.
Efektem prac były testy działania funkcji oprogramowania. Program pomógł w spójny sposób przechwytywać sygnały z magistrali CAN i przesyłać wymagane polecenia. Powstałe obrazy nie były wysokiej jakości, ale kontury znajdujących się na nich obiektów były dość widoczne. Przy żądaniu wyświetlenia listy zdjęć dane przesyłane były bezpiecznie po magistrali CAN, a po wydaniu polecenia usunięcia przy ponownym żądaniu listy można było zauważyć spadek liczby plików. Pobieraniu obrazu towarzyszył duży przepływ danych w złączu magistrali CAN, a także występowało, gdy pojawiała się prośba o ponowne pobranie obrazu. A jeśli po przetestowaniu zgromadziło się wiele niepotrzebnych zdjęć, polecenie formatowania pomyślnie je usunęło. Zatem cała niezbędna funkcjonalność działała sprawnie jak zwykle.
Literatura
Biblioteka do pracy z kamerą w języku C++ - https://www.uco.es/investiga/grupos/ava/node/40
Przewodnik konfiguracji aparatu — https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-picamera
Krótki tutorial na temat magistrali CAN - http://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160/
Ryż . 1. Nanosatelita Trzmiel format Cubesat
Aneks 1
Ryż. 2. Nanosatelity SirusSat-1 i SiriusSat-2
Moduł kamery Raspberry Pi wersja 2.1
Załącznik 2
Dodatek 3
Ryż. 1. Płyta lutowana
Ryż. 2. Złożony satelita
Ryż. 3. Algorytm działania oprogramowania
Autorski
Kosmodemyansky E. V. 1 *, Kirichenko A. S. 1 *, Klyushin D. I. 1 *, Kosmodemyanskaya O. V. 1 *, Makushev V. V. 1 *, Almurzin P. P. 2 **1. Centrum Rakietowo-Kosmiczne „Postęp”, ul. Zemetsa, 18, Samara, 443009, Rosja
2. Narodowy Uniwersytet Badawczy Samara im. Akademik S.P. Koroleva, Moskovskoe shosse, 34, Samara, 443086, Rosja
*e-mail: [e-mail chroniony]
**e-mail: [e-mail chroniony]
adnotacja
W artykule przedstawiono statystyki wystrzeleń małych statków kosmicznych klasy nano formatu „CubeSat”, łącznie za rok 2013, wyciągnięto wniosek o wzroście i znaczeniu rynku usług wyniesienia statków kosmicznych tej klasy, opisano obecnie powstające rakiety nośne Federal State Unitary Enterprise State Research and Production Space Center „TsSKB-Progress” i zaproponowano rozwój w celu wspierania misji małych statków kosmicznych w formacie „CubeSat”. Szczegółowo opisano proponowane urządzenie startowe oraz kontener transportowo-wystrzeleniowy dla małych statków kosmicznych formatu CubeSat, wyciągnięto wnioski dotyczące możliwości zorganizowania misji wystrzeliwania statków kosmicznych tego formatu przy zastosowaniu nowych technik organizacyjnych i technicznych oraz zajęcia przez nasz kraj wiodącej pozycji w świadczenie tej usługi.Słowa kluczowe:
mały statek kosmiczny, Cubesat, platforma uniwersalna, urządzenie startowe, technologie sieciowe, kontener transportowy i startowyBibliografia
- Lista misji satelitarnych Cubesat Michaela, dostępne pod adresem: http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php (dostęp: 16.07.2013).
- Bryana Klofasa, Andersona Jasona i Leveque’a Kyle’a. Przegląd systemów komunikacyjnych CubeSat, czasopismo AMSAT, listopad/grudzień 2009, s. 23-30.
- Wikipedia EN: Lista CubeSatów , dostępne pod adresem: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats (dostęp: 16.07.2013).
Trochę historii
Historia CubeSats rozpoczęła się w 1999 roku, kiedy Caltech i Uniwersytet Stanforda wspólnie opracowały dokument określający specyfikacje małych satelitów. Norma określiła wymiary, wagę i inne parametry satelitów, a także procedury testowania i przygotowania do startu. Obecna wersja standard jest dostępny pod adresem http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers.
Rozmiary satelitów
Standard CubeSat definiuje specyfikacje dla 1 i 3 jednostek, odpowiednio satelitów 1U i 3U. Masa satelitów nie przekracza 10 kg, co według międzynarodowej klasyfikacji odpowiada klasie nanosatelitów. W praktyce najczęściej używanymi satelitami są następujące rozmiary:
Przeznaczenie | Wymiary | Waga |
---|---|---|
1U | 100x100x113,5 mm | do 1,33 kg |
2U | 100x100x226,5 mm | do 2,67 kg |
3U | 100x100x340,5 mm | do 4 kg |
4U | 100 x 100 x 533,5 mm | do 5,33 kg |
5U | 100x100x665,5 mm | 6,67 kg |
6U | 100x200x340,5 mm | do 8kg |
Wymiary te uzyskuje się poprzez proste pomnożenie wymiarów standardowych przez wielkość jednostki. Mniej powszechne w praktyce są satelity o pośrednich rozmiarach 0,5U i 1,5U. Wymiary skalowane są w taki sposób, aby standardowy kontener startowy P-POD pomieścił kilka satelitów o łącznej wielkości 3U.
Kontener startowy P-POD i trzy satelity. Zdjęcie ze strony http://www.spaceref.com
Do oddzielenia satelitów od rakiety nośnej nie używa się żadnych materiałów pirotechnicznych; satelity są wypychane przez sprężynę. Odbywa się to ze względów bezpieczeństwa, ponieważ w zasadzie małe satelity są wystrzeliwane na orbitę jako ładunek wtórny w towarzystwie swoich większych odpowiedników. Ewentualne awarie systemów nanosatelitarnych nie powinny powodować uszkodzeń pojazdu głównego.
Projekt satelity
Konstrukcyjnie satelity stanowią ramę wykonaną z anodyzowanego aluminium. Cztery ściany to szyny, po których satelita ślizga się w momencie oddzielenia się od rakiety nośnej. Boczne powierzchnie pokryto panelami słonecznymi. Znajdują się tam również anteny odbiornika i nadajnika.
Opcje umieszczania paneli słonecznych. Zdjęcie ze strony http://www.clyde-space.com
Wewnątrz obudowy znajdują się płytki drukowane dla różnych systemów satelitarnych i ładunków.
Podstawowe systemy to:
- Moduł procesora
- Kanały radiowe i urządzenia z podajnikiem antenowym
- System zasilania, akumulatory i kontroler ładowania, panele słoneczne
- Opcjonalny. System określania pozycji satelitów
- Opcjonalny. System korekcji pozycji satelity
Z system podstawowy Wyjściem jest magistrala systemowa, do której podłączone są karty użytkowe. Magistrala systemowa zawiera linie energetyczne i interfejsy komunikacyjne. Ładunek otrzymuje dostęp do kanału radiowego, za pomocą którego zebrane dane mogą zostać przesłane z powrotem na Ziemię.
Skład ładunku
Najczęściej ładunek zawiera kamery, a także różne czujniki. Małe statki kosmiczne służą do zmiany pola magnetycznego i grawitacyjnego Ziemi, pomiaru składu i liczby naładowanych cząstek w przestrzeni bliskiej Ziemi (AAUsat2) oraz przewidywania trzęsień ziemi (QuakeSat). Na pokładzie satelity CubeSat (GeneSat1) przeprowadzono nawet eksperyment biochemiczny z bakteriami. Nanosatelity często wykorzystuje się do testowania podzespołów elektronicznych, projektowania i rozwiązań technologicznych w przestrzeni rzeczywistej, a następnie wykorzystuje się je w produkcji większych statków kosmicznych. Ogólnie rzecz biorąc, wyobraźnię badaczy ograniczają jedynie wymiary, waga i możliwości energetyczne, jakie zapewnia pokład małego statku kosmicznego.
Kwestia ceny
Specyfikacja CubeSata zawierała ideologię, której koncepcja opiera się na kilku postulatach.
- Skrócenie czasu rozwoju satelity do 1-2 lat. Osiągnięto poprzez standaryzację projektowania.
- Obniżenie kosztów produkcji satelitów. Można to osiągnąć poprzez powszechne stosowanie tzw. komponentów COTS, tj. konwencjonalną elektronikę zamiast wyspecjalizowanych kosmicznych komponentów elektronicznych.
- Zaangażowanie studentów i absolwentów na rzecz rozwoju.
W efekcie, według Wikipedii (en.wikipedia.org/wiki/CubeSat), koszt opracowania satelity CubeSat o wysokości 1U kosztuje 65-80 tys. dolarów, z czego 40 tys. dolarów to koszty usług wyniesienia satelity na orbitę. Na stronie internetowej jednej z holenderskich firm koszt zestawu do montażu satelity 1U to 39 000 euro. Zestaw zawiera: obudowę, płytkę komputera pokładowego, układ zasilania z akumulatorami, 6 paneli słonecznych, transceiver 144/433 MHz, układ antenowy. Nazywamy ten pakiet platformą podstawową. To o kilka rzędów wielkości mniej niż koszt „konwencjonalnych” satelitów, których budżety sięgają milionów dolarów.
Stosunkowo niski koszt wystrzelenia pozwolił standardowi Cubesat stać się jedną z najbardziej rozpowszechnionych platform satelitarnych na świecie. W okresie od czerwca 2003 r. do lutego 2012 r. wystrzelono ponad 60 satelitów Cubesat. http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php. Większość wystrzeleń małych satelitów odbywała się na rakietach Produkcja rosyjska z kosmodromów Plesieck i Bajkonur.
Kiedy Cubesaty stały się wielkie 14 kwietnia 2015 r
CubeSat to standard wielkości mikro i nanosatelitów zaproponowany w 1999 roku w USA. W ciągu ostatnich 15 lat idea jednolitego standardu znacznie zmieniła oblicze bezzałogowej astronautyki i otworzyła możliwości prywatnym firmom, hobbystom, studentom, a nawet uczniom, stosunkowo niedrogiego tworzenia statków kosmicznych. Dzięki CubeSat wiele krajów, których budżety nie wspierały tradycyjnej astronautyki, mogło pochwalić się własnym pierwszym statkiem kosmicznym.
Cechą szczególną CubeSata są jego stałe wymiary, które zmieniają wielokrotności, tj. CubeSat 1U (jednostka) to kostka przestrzenna o wymiarach 10x10x10 cm, 2U to już dwie kostki, tj. 10x10x20 cm, 3U - 10x10x30 cm Póki co osiągnięty limit to 6U czyli 10x20x30 cm Wiele elementów konstrukcyjnych, akumulatorów, płytek, czujników, systemów komunikacji zostało opracowanych zgodnie ze standardami CubeSat... Ciągle wymyślają coś nowego, albo silnik sublimacyjny lub żagiel elektromagnetyczny, następnie silnik plazmowy. CubeSaty wyposażone w prawdziwe żagle słoneczne są obecnie przygotowywane do startu.
CubeSaty powstają z elektroniki klasy przemysłowej, tj. taki, który był przeznaczony do użytku na Ziemi i nie był przygotowany do lotu w kosmos. Mimo to możliwości nowoczesnych chipów pozwalają im pracować w pozornie nieodpowiednich warunkach. Może nie trwają długo, ale zapewniają pracę urządzeń nawet przez rok, a nawet kilka razy dłużej. Teraz są całe internetowe sklepy z elektroniką dla CubeSatów, choć wciąż daleko im do poziomu nowoczesnych komputerów, które można kupić na części i złożyć w domu w jeden wieczór. Mimo to trzeba dokładnie przetestować kompatybilność systemów, napisać oprogramowanie, lutować, debugować, ogólnie rzecz biorąc, pracy dla kilku inżynierów wystarczy na ponad miesiąc. O wszystkich trudnościach dobrze pisali nasi koledzy z firmy Sputniks.
Pomimo trudności praca z CubeSatami jest znacznie prostsza niż w tradycyjnej astronautyce, a setkom studentów, dziesiątkom pasjonatów, naukowców i biznesmenów umożliwił prawdziwy przełom w kosmos.
Standardowe wymiary CubeSatów znacznie upraszczają procedurę wystrzelenia w przestrzeń kosmiczną. Nie chodzi tu tylko o ich niewielkie rozmiary i wagę. Zwykle uważa się, że o koszcie wystrzelenia satelity decyduje masa w kilogramach. Ale jeśli chodzi o tak nieistotne wskaźniki jak 1-3-9 kg, to tzw dostosowanie. Przecież nie wystarczy podłączyć satelitę do rakiety, trzeba jeszcze wystrzelić ją w odpowiednim czasie, na odpowiedniej wysokości i z odpowiednim przyspieszeniem. W przypadku zwykłych satelitów, nawet tych małych, trzeba przeprowadzić osobną pracę i zaprojektować adapter, który umożliwi połączenie konkretnego satelity z konkretną rakietą lub górnym stopniem. W przypadku CubeSata problem rozwiązuje się poprzez przystosowanie specjalnego kontenera.
Wystarczy jednorazowo zaadaptować kontener z konkretną rakietą lub górnym stopniem, a następnie stosować ten schemat przy każdym starcie.
Na przykład w Rosji obecnie prywatna firma Dauria Aerospace wraz z organizacją non-profit nazwaną jej imieniem. Ławoczkina pracuje nad przystosowaniem kontenerów CubeSat do Fregata.
Dzięki temu łatwiej będzie wystrzelić CubeSaty podczas startu rakiet Roscosmos. Wcześniej rosyjsko-ukraińska rakieta konwersyjna Dniepr wystrzeliła dziesiątki „kostek”, ale teraz Roskosmos zamierza ją porzucić, aby obciążyć rosyjskich producentów pracą.
Wciąż istnieje szansa na wystrzelenie kostek z Międzynarodówki stacja Kosmiczna. W tym celu segment amerykański wyposaża się w specjalny system robotyczny prywatnej firmy kosmicznej NanoRacks. System pozwala na wystrzeliwanie kostek w partiach i nie wymaga od astronautów wyruszania w przestrzeń kosmiczną.
Z segmentu rosyjskiego CubeSaty są uruchamiane indywidualnie i w sposób klasyczny.
Wystrzelenie z ISS rozwiązuje wiele problemów: jest prostsze i tańsze od rakiet, nie wymaga adaptacji ani nawet kontenera. Większość CubeSatów jest wystrzeliwana ze stacji. Ale i tutaj są problemy. Satelity są dostarczane na pokłady statków towarowych i mogą czekać tygodnie, a nawet miesiące przed wystrzeleniem, co powoduje wyczerpanie się baterii pokładowej i pozostawienie satelity martwego. Astronauci nie są w stanie wskrzesić wszystkich, choć próbują.
Kolejnym problemem związanym ze startem ze stacji jest krótka żywotność satelity. Na wysokości ISS nadal występuje stosunkowo silne działanie hamujące ziemską atmosferę, dlatego nawet małe sześciany wytrzymują niecałe dwa lata, a jeśli satelita ma również składane panele słoneczne, to nie latają nawet przez rok. Cieszy to wszystkich, którym zależy na czystości kosmosu, ale denerwuje twórców urządzeń, którzy chcieliby dłużej popracować z satelitą, przetestować sprzęt i poznać jego maksymalne możliwości.
Wyższy i trwalszy start wymaga posiadania kontenera i poszukiwania odpowiedniej rakiety. Pojemnik kosztuje, i to niemało, choć wydaje się, że to po prostu aluminiowe pudełko z pokrywką. Razem z kontenerem koszt wystrzelenia CubeSata może wahać się od 40 tys. do 100 tys. dolarów i dotyczy to tylko 1U. Jest to jednak koszt nieunikniony, jeśli celem jest wystrzelenie satelity, który powinien działać długo i przynosić zyski.
Teraz o korzyściach. Pierwsza dekada kostek upłynęła pod sztandarami uniwersytetów. Studenci z tej czy innej uczelni (głównie amerykańskiej lub brytyjskiej) montowali swoje kostki, a za nimi podążali japońscy radioamatorzy. A w środowisku zawodowym narodził się stereotyp o CubeSacie jako o jakiejś frywolnej zabawie, nie dającej się pogodzić z żadnymi zastosowane zadania. Rzeczywiście, tutaj dorośli mężczyźni spędzają lata, składając urządzenia ważące tonę lub więcej, a tam niektórzy studenci nitują kilogramowe głośniki wysokotonowe w ciągu kilku miesięcy.
Jednocześnie pierwsze generacje kostek umożliwiły opracowanie wielu rozwiązań technologicznych, wypróbowanie dziesiątek różnych schematów i układów oraz przetestowanie instrumentów użytkowych. A w drugiej dekadzie XXI wieku okazało się, że nawet takie dzieci nadają się do poważnej pracy. Tak naprawdę na naszych oczach dokonuje się rewolucja.
Jednym z pierwszych było Planet Labs, które zdecydowało się zbudować cały swój biznes na kostkach. W 2013 roku wystrzelili parę satelitów Dove, które zademonstrowały ich możliwości. Ich rozmiar to 3U, tj. 10x10x30 cm W tych mikroskopijnych, jak na standardy kosmonautyczne wymiarach, twórcom udało się umieścić nie tylko teleskop 90 mm i fotomatrycę, ale także trójosiowy system orientacji, składający się z trzech silników z kołem zamachowym i cewek magnetycznych. W rezultacie powstało pełnoprawne urządzenie do teledetekcji Ziemi, wielkości zwykłej lustrzanki jednoobiektywowej.
Teraz ich urządzenia robią wysokiej jakości zdjęcia, które możesz podziwiać w ich galerii.
Dla porównania zdjęcie z „prawdziwego” urządzenia ważącego 450 kg
Oczywiście niezawodność i wydajność Doves jest znacznie niższa niż w przypadku tradycyjnych satelitów, ale ich cena i możliwość wystrzelenia kilkudziesięciu z nich otwierają świetne perspektywy. Jednocześnie wzrasta niezawodność każdej nowej generacji, ponieważ inżynierowie otrzymują ogromną ilość danych o systemach i mogą szybko wymienić zawodne elementy. Te. testy w locie i rozwój są przeprowadzane znacznie szybciej niż miało to miejsce w przypadku dużych urządzeń.
Teraz Planet Labs pozyskało inwestycje o wartości prawie 140 milionów dolarów, a teraz ich głównym zadaniem jest odbudowa infrastruktury naziemnej i znalezienie skutecznych sposobów zarabiania na danych satelitarnych. Ich celem jest codziennie aktualizowana analogia map Google.
O Planet Labs mówiłem już kilka razy, ale wolę inny przykład firmy, która wyrosła z kręgu miłośników Arduino. Najpierw przedstawili pomysł na KickStarterze, aby stworzyć nanosatelitę ArduSat. Społeczności tak bardzo spodobał się ten pomysł, że po zamówieniu jednego satelity otrzymali dwa. Zwrócili na siebie uwagę pomysłem zapewnienia każdemu, za opłatą, kontroli nad satelitami. Jeszcze przed startem, po udanej kampanii zbierania funduszy, znaleźli pierwszych inwestorów. Zainwestował w nie nawet rosyjski dyrektor generalny i założyciel Mail.Ru, Dmitry Grishin, choć przeznaczył „tylko” 300 tysięcy dolarów. Nie mówili szczególnie o wynikach wystrzelenia i testowania satelitów, ale szybko zmienili nazwę z NanoSatisfy na Spire i pozyskał inwestycje o wartości 20 milionów dolarów w celu wdrożenia całej sieci satelitarnej w kilkudziesięciu urządzeniach. Sądząc po ich stronie internetowej, zamierzają zbudować rozległą sieć niskoorbitalną do odbioru danych AIS.
Rezultatem będzie szybko aktualizowana mapa ruchu statków po morzach i oceanach. Takie usługi nadal istnieją, ale działają głównie w oparciu o stacje przybrzeżne, a na orbicie znajduje się niecałe dwa tuziny satelitów AIS. Spire chce wypuścić 100.
Skoro już mowa o AIS, na orbicie znajduje się także kilka naszych sześcianów – Perseus-M – to wspólne dzieło amerykańskich i rosyjskich oddziałów Dauria Aerospace. Nasi ludzie brali udział w opracowywaniu ogólnego projektu, układu i pisania oprogramowania. Rozmiar satelity to 6U, ładunkiem jest także czujnik AIS, lata on od czerwca 2014 roku. Właśnie zakończyły się testy ładunku, a satelity zbudowały własną mapę globalnej żeglugi. Przygotowujemy się obecnie do wdrożenia sieci stacji naziemnych, aby rozpocząć dostarczanie danych operacyjnych o jakości komercyjnej.
Celem Daurii nie jest jednak biznes AIS. Czujniki te zostały po prostu wybrane do testowania platformy satelitarnej. A jego możliwości są znacznie większe, łącznie z możliwością umieszczenia tam kamery. Właściwie, bazując na doświadczeniach zdobytych przy rozwoju Perseusa-M, rosyjski oddział Daurii tworzy na zlecenie Roscosmos dwa satelity w standardzie CubeSat. Są to urządzenia znacznie bardziej złożone, z orientacją trójosiową, kamerą wielospektralną i wysokowydajnym nadajnikiem w paśmie Ka.
W przyszłości firma jest gotowa dostosować platformę do Różne rodzaje mnóstwo naukowych i stosowane cele. Rozwijamy także własny kontener, aby już niedługo Roscosmos mógł zaoferować pełen zakres usług, gdyby ktoś potrzebował wystrzelić CubeSata. Na przykład „Fregata” Ławoczkina może polecieć zarówno na Marsa, jak i na Wenus, wystarczy poczekać na przelatujący lot.
Rosyjski startup „Lin Industrial” podjął się stworzenia specjalnej mikrorakiety przeznaczonej wyłącznie do wystrzeliwania sześciennych satelitów. Jest mało prawdopodobne, że wyjdzie za mniej niż 100 tysięcy dolarów, ale może być ciekawe na te orbity, gdzie przelot jest niemożliwy lub gdzie na okazję trzeba długo czekać.