КАКВО ПРЕДСТАВЛЯВАТ CUBESATS?

Send

Една от определящите характеристики на съвременната епоха на космическото изследване е откритият характер на него. В миналото космическото пространство беше граница, която беше достъпна само за две федерални космически агенции - НАСА и съветската космическа програма. Но благодарение на появата на нови технологии и мерки за намаляване на разходите частният сектор вече е в състояние да предостави свои собствени услуги за стартиране.

Освен това академичните институции и малките страни вече са в състояние да изграждат свои собствени спътници за целите на провеждането на атмосферни изследвания, наблюдения на Земята и тестване на нови космически технологии. Това е това, което е известно като CubeSat, миниатюризиран спътник, който позволява икономически ефективни космически изследвания.

Структура и дизайн:

Известен също като наносателити, CubeSats са изградени до стандартни размери 10 х 10 х 11 см (1 U) и са оформени като кубчета (оттук и името). Те са мащабируеми и се предлагат във версии, които измерват 1U, 2Us, 3Us или 6Us отстрани и обикновено тежат по-малко от 1,33 kg (3 lbs) на U. по дължина с цилиндър, който ги обхваща всички.

През последните години бяха предложени по-големи платформи CubeSat, които включват 12U модел (20 х 20 х 30 см или 24 х 24 х 36 см), който би разширил възможностите на CubeSats отвъд академичните изследвания и тестване на нови технологии, включващи по-сложна наука и национални отбранителни цели.

Основната причина за миниатюризиране на спътници е намаляването на разходите за разполагане и защото те могат да бъдат разположени в излишния капацитет на изстрелващо превозно средство. Това намалява рисковете, свързани с мисии, при които допълнителните товари трябва да бъдат върнати на прах за изстрелване, и също така позволява кратки промени в товарите.

Те могат да бъдат направени и с помощта на комерсиални електронни компоненти (COTS), което ги прави сравнително лесни за създаване. Тъй като мисиите на CubeSats често се правят на много ниски орбити на Земята (LEO) и изпитват атмосферно въвеждане след само няколко дни или седмици, радиацията може да бъде пренебрегната до голяма степен и може да се използва стандартна потребителска електроника.

CubeSats са изградени от четири специфични типа алуминиева сплав, за да се гарантира, че те имат същия коефициент на топлинно разширение като изстрелващото превозно средство. Сателитите също са покрити със защитен оксиден слой по протежение на всяка повърхност, която влиза в контакт с изстрелващото превозно средство, за да се предотврати студено заваряване на място при силен стрес.

Компоненти:

CubeSats често носят множество бордови компютри с цел извършване на проучвания, както и осигуряване на контрол на позицията, тяги и комуникации. Обикновено са включени други бордови компютри, за да се гарантира, че основният компютър не е претоварен от множество потоци данни, но всички други бордови компютри трябва да могат да се свързват с него.

Обикновено първичен компютър е отговорен за делегирането на задачи на други компютри - като контрол на позицията, изчисления за орбитални маневри и задачи за планиране. Все пак основният компютър може да се използва за задачи, свързани с полезен товар, като обработка на изображения, анализ на данни и компресия на данни.

Миниатюризираните компоненти осигуряват контрол на положението, обикновено се състоят от реакционни колела, магнитокорупчици, тяги, звездни проследяващи сензори за слънце и земя, сензори за ъглова скорост и GPS приемници и антени. Много от тези системи често се използват в комбинация, за да компенсират недостатъците и да осигурят нива на излишък.

Слънчевите и звездни сензори се използват за осигуряване на насочено насочване, докато усещането на Земята и нейния хоризонт е от съществено значение за провеждането на изследвания на Земята и атмосферата. Слънчевите сензори също са полезни, за да гарантират, че CubsSat е в състояние да увеличи максимално достъпа си до слънчева енергия, което е основното средство за захранване на CubeSat - където слънчевите панели са включени във външния корпус на сателитите.

Междувременно задвижването може да се появи в множество форми, всички от които включват миниатюризирани тласкачи, осигуряващи малки количества специфичен импулс. Сателитите също са обект на радиационно нагряване от Слънцето, Земята и отразената слънчева светлина, да не говорим за топлината, генерирана от техните компоненти.

Като такъв, CubeSat също предлага изолационни слоеве и нагреватели, за да гарантира, че техните компоненти не надвишават температурните им диапазони и че излишната топлина може да се разсейва. Често са включени датчици за температура, за да се следи за опасни повишения на температурата или спада.

За комуникация, CubeSat могат да разчитат на антени, които работят във VHF, UHF или L-, S-, C- и X-ленти. Те са ограничени до 2W мощност поради малкия размер на CubeSat и ограничения капацитет. Те могат да бъдат спирални, диполни или монодирекционни монополни антени, въпреки че се разработват по-сложни модели.

Задвижване:

CubeSats разчитат на много различни методи на задвижване, което от своя страна доведе до напредък в много технологии. Най-често срещаните методи включват студен газ, химическо, електрическо задвижване и слънчеви платна. Студеният газов тласък разчита на инертен газ (като азот), който се съхранява в резервоар и се освобождава през дюза за генериране на тяга.

С течение на методите на задвижване, това е най-простата и полезна система, която CubeSat може да използва. Той също е един от най-безопасните, тъй като повечето студени газове не са нито летливи, нито корозивни. Те обаче имат ограничена производителност и не могат да постигнат високи импулсни маневри. Ето защо те обикновено се използват в системите за контрол на позицията, а не като основни тласкачи.

Химическите задвижващи системи разчитат на химичните реакции за получаване на високотемпературен газ с високо налягане, който след това се насочва през дюза за създаване на тяга. Те могат да бъдат течни, твърди или хибридни и обикновено се свеждат до комбинацията от химикали, комбинирани с катализатори или окислител. Тези тласкачи са прости (и следователно могат да бъдат миниатюризирани лесно), имат ниски изисквания за мощност и са много надеждни.

Електрическото задвижване разчита на електрическа енергия за ускоряване на заредените частици до високи скорости - ака. Дросели с Хол ефект, йонни дросели, импулсни плазмени дросели и др. Този метод е от полза, тъй като съчетава висок специфичен импулс с висока ефективност и компонентите могат лесно да се миниатюризират. Недостатък е, че те изискват допълнителна мощност, което означава или по-големи слънчеви клетки, по-големи батерии и по-сложни системи за захранване.

Слънчевите платна се използват и като метод за задвижване, което е от полза, тъй като не изисква гориво. Слънчевите платна също могат да бъдат мащабирани до собствените размери на CubSat, а малката маса на сателита води до по-голямо ускорение за дадена зона на слънчевото платно.

Въпреки това, слънчевите платна все още трябва да бъдат доста големи в сравнение със сателита, което прави механичната сложност допълнителен източник на потенциална повреда. Понастоящем малко CubeSats са използвали слънчево платно, но това остава зона на потенциално развитие, тъй като това е единственият метод, който не се нуждае от гориво или включва опасни материали.

Тъй като тласъците са миниатюрни, те създават няколко технически предизвикателства и ограничения. Например векторирането на тягата (т.е. gimbals) е невъзможно с по-малки тласкачи. По този начин векторирането трябва да бъде постигнато чрез използване на множество дюзи за асиметрично придвижване или използване на задействани компоненти за промяна на центъра на масата спрямо геометрията на CubeSat.

История:

В началото на 1999 г. държавният университет в Калифорния и университетът в Станфорд разработиха спецификациите CubeSat, за да помогнат на университетите по целия свят да извършват космическа наука и проучване. Терминът „CubeSat“ е въведен за обозначаване на нано-сателити, които спазват стандартите, описани в проектните спецификации на CubeSat.

Те бяха разработени от професора по аерокосмическо инженерство Джорди Пуиг-Суари и Боб Туигс от катедрата по аеронавтика и космонавтика в университета в Станфорд. Оттогава тя се превърна в международно партньорство от над 40 института, които разработват нано сателити, съдържащи научни полезни товари.

Първоначално, въпреки малкия си размер, академичните институции бяха ограничени, тъй като бяха принудени да чакат, понякога години, за възможност за стартиране. Това беше отстранено до известна степен чрез разработването на орбиталния дислокатор Poly-PicoSatellite (известен иначе като P-POD) от Калифорнийската политехника. P-PODs са монтирани към изстрелващо превозно средство и пренасят CubeSats в орбита и ги разгръщат, след като подходящият сигнал бъде получен от изстрелващото превозно средство.

Според ДжордиПуиг-Суари целта на това е „да се намали времето за развитие на спътника до времевата рамка на кариерата на студента в колежа и да се използват възможности за изстрелване с голям брой спътници.“ Накратко, P-POD гарантира, че много CubeSats могат да бъдат пуснати в даден момент.

Няколко компании са изградили CubeSats, включително производител на големи сателити Boeing. Въпреки това, по-голямата част от развитието идва от академични среди, със смесен запис на успешно орбитирани CubeSats и неуспешни мисии. От създаването си CubeSats се използват за безброй приложения.

Например, те са били използвани за разполагане на автоматични системи за идентификация (AIS) за наблюдение на морските плавателни съдове, за разполагане на отдалечени сензори на Земята, за тестване на дългосрочната жизнеспособност на космическите тетри, както и за провеждане на биологични и радиологични експерименти.

В рамките на академичната и научната общност тези резултати се споделят и се предоставят ресурси чрез комуникация директно с други разработчици и посещение на семинари по CubeSat. В допълнение, програмата CubeSat облагодетелства частни фирми и правителства, като предоставя евтин начин за летене на полезни товари в космоса.

През 2010 г. НАСА създаде „Инициативата за стартиране на CubeSat“, която има за цел да предостави услуги за стартиране на образователни институции и организации с нестопанска цел, така че те да извлекат своите CubeSats в космоса. През 2015 г. НАСА започна своето Cube Quest Challenge като част от своите програми за стогодишни предизвикателства.

С награда от портфейл от 5 милиона долара, тази стимулираща конкуренция има за цел да насърчи създаването на малки спътници, способни да работят извън ниската земна орбита - по-специално в лунна орбита или в дълбоко космос. В края на състезанието ще бъдат избрани до три отбора, които ще стартират своя дизайн CubeSat на борда на мисията SLS-EM1 през 2018 година.

Мисията на касата на НАСА InSight (планирана да стартира през 2018 г.) също ще включва два CubeSats. Те ще проведат полет на Марс и ще осигурят допълнителни релейни комуникации към Земята по време на влизането и кацането на кацателя.

Обозначеният Mars Cube One (MarCO), този експериментален 6U размер CubeSat ще бъде първата мисия в дълбоки пространства, която разчита на технологията CubeSat. Тя ще използва X-лентова антена с висок коефициент на усилване, за да предава данни на Марсиращия разузнавателен орбитър на НАСА (MRO) - който след това ще го препредаде на Земята.

Намаляването на космическите системи по-малки и по-достъпни е един от отличителните белези на ерата на обновеното космическо проучване. Това е и една от основните причини индустрията на NewSpace да се развива с подскоци през последните години. И с по-големи нива на участие наблюдаваме по-голяма възвръщаемост, когато става дума за изследвания, разработки и проучвания.

Написахме много статии за CubeSat за Space Magazine. Ето планетарното общество да пусне три отделни слънчеви платна, първи междупланетни кубси за пускане в действие на НАСА през 2016 г. Марс кацане, Правейки CubeSats да правят астрономия, какво можете да направите с кубесат? Тези кубзати могат да използват плазмени двигатели, за да напуснат нашата слънчева система.

Ако искате повече информация на CubeSat, вижте официалната начална страница на CubeSat.

Записахме епизод на Astronomy Cast за космическия совал. Слушайте тук, Епизод 127: Космическият совал в САЩ.

Източници: