ЧТО ТАКОЕ CUBESATS?

Send

Одной из определяющих характеристик современной эры освоения космоса является ее открытость. В прошлом космос был границей, доступной только двум федеральным космическим агентствам - НАСА и советской космической программе. Но благодаря появлению новых технологий и мерам по сокращению затрат, частный сектор теперь может предоставлять свои собственные услуги запуска.

Кроме того, академические учреждения и малые страны в настоящее время способны создавать свои собственные спутники для целей исследования атмосферы, наблюдения Земли и испытания новых космических технологий. Это так называемый CubeSat, миниатюрный спутник, который позволяет проводить рентабельные космические исследования.

Структура и дизайн:

Также известные как наноспутники, CubeSats имеют стандартные размеры 10 x 10 x 11 см (1 U) и имеют форму кубов (отсюда и название). Они являются масштабируемыми, выпускаются в версиях, которые измеряют 1U, 2U, 3U или 6U на стороне, и, как правило, весят менее 1,33 кг (3 фунта) на U. CubSats 3U или более являются самыми большими, состоящими из трех блоков, уложенных друг на друга продольно с цилиндром, охватывающим их всех.

В последние годы были предложены более крупные платформы CubeSat, которые включают модель 12U (20 x 20 x 30 см или 24 x 24 x 36 см), которая расширит возможности CubeSats за пределы академических исследований и тестирования новых технологий, включая более сложные научные исследования. и цели национальной обороны.

Основная причина миниатюризации спутников заключается в снижении затрат на развертывание, а также в связи с тем, что они могут быть развернуты при избыточной мощности ракеты-носителя. Это снижает риски, связанные с миссиями, в которых дополнительный груз должен перевозиться в пусковую установку, а также позволяет менять груз в короткие сроки.

Они также могут быть изготовлены с использованием коммерческих готовых электронных компонентов (COTS), что делает их создание сравнительно простым. Поскольку миссии CubeSats часто выполняются на очень низких околоземных орбитах (LEO), и они возвращаются в атмосферу всего лишь через несколько дней или недель, излучение можно в значительной степени игнорировать и использовать стандартную потребительскую электронику.

CubeSats изготовлены из четырех конкретных типов алюминиевого сплава, чтобы гарантировать, что они имеют тот же коэффициент теплового расширения, что и ракета-носитель. Спутники также покрыты защитным оксидным слоем вдоль любой поверхности, которая входит в контакт с ракетой-носителем, чтобы предотвратить их холодную сварку на месте из-за экстремальных нагрузок.

Компоненты:

CubeSats часто имеет несколько бортовых компьютеров для проведения исследований, а также для обеспечения ориентации, движителей и связи. Как правило, другие бортовые компьютеры включены, чтобы гарантировать, что основной компьютер не перегружен несколькими потоками данных, но все другие бортовые компьютеры должны быть в состоянии взаимодействовать с ним.

Как правило, основной компьютер отвечает за делегирование задач другим компьютерам, таких как управление ориентацией, вычисления для орбитальных маневров и планирование задач. Тем не менее, основной компьютер может использоваться для задач, связанных с полезной нагрузкой, таких как обработка изображений, анализ данных и сжатие данных.

Миниатюрные компоненты обеспечивают контроль ориентации, как правило, состоящий из реактивных колес, магнитоуправлений, движителей, звездных трекеров, датчиков Солнца и Земли, датчиков угловой скорости, а также GPS-приемников и антенн. Многие из этих систем часто используются в комбинации, чтобы компенсировать недостатки и обеспечить уровни избыточности.

Солнечные и звездные датчики используются для обеспечения направленного наведения, тогда как зондирование Земли и ее горизонта имеет важное значение для проведения исследований Земли и атмосферы. Солнечные датчики также полезны для обеспечения того, чтобы CubsSat мог максимизировать свой доступ к солнечной энергии, которая является основным средством питания CubeSat - где солнечные панели встроены во внешний корпус спутников.

Между тем, движитель может иметь различные формы, каждая из которых включает миниатюрные двигатели, дающие небольшое количество определенного импульса. Спутники также подвергаются радиационному нагреву от Солнца, Земли и отраженного солнечного света, не говоря уже о тепле, генерируемом их компонентами.

Таким образом, CubeSat также поставляется с изоляционными слоями и нагревателями, чтобы гарантировать, что их компоненты не превышают температурный диапазон и что избыточное тепло может рассеиваться. Температурные датчики часто включаются для контроля за опасным повышением или понижением температуры.

Для связи CubeSat может полагаться на антенны, которые работают в диапазонах VHF, UHF или L-, S-, C- и X. Они в основном ограничены мощностью 2 Вт из-за небольшого размера и ограниченной мощности CubeSat. Это могут быть спиральные, дипольные или однонаправленные монопольные антенны, хотя разрабатываются более сложные модели.

Привод:

CubeSats опирается на множество различных методов движения, что, в свою очередь, привело к прогрессу во многих технологиях. Наиболее распространенные методы включают холодный газ, химические, электрические двигатели и солнечные паруса. Двигатель холодного газа опирается на инертный газ (например, азот), который хранится в резервуаре и выпускается через форсунку для создания тяги.

Что касается методов движения, то это самая простая и полезная система, которую может использовать CubeSat. Это также один из самых безопасных, так как большинство холодных газов не являются ни летучими, ни коррозийными. Однако они имеют ограниченную производительность и не могут достичь высоких импульсных маневров. Следовательно, почему они обычно используются в системах контроля ориентации, а не в качестве основных двигателей.

Химические двигательные установки основаны на химических реакциях для получения высокотемпературного газа под высоким давлением, который затем направляется через сопло для создания тяги. Они могут быть жидкими, твердыми или гибридными и обычно сводятся к комбинации химических веществ в сочетании с катализаторами или окислителем. Эти двигатели просты (и поэтому могут быть легко уменьшены), имеют низкие требования к мощности и очень надежны.

Электрические двигатели используют электрическую энергию для ускорения заряженных частиц до высоких скоростей - иначе. Двигатели Холла, ионные двигатели, импульсные плазменные двигатели и т. Д. Этот метод полезен, поскольку он сочетает в себе высокий удельный импульс с высокой эффективностью, а компоненты можно легко миниатюризировать. Недостатком является то, что им требуется дополнительная мощность, что означает либо большие солнечные элементы, большие батареи и более сложные энергосистемы.

Солнечные паруса также используются в качестве метода приведения в движение, что выгодно, поскольку не требует пропеллента. Солнечные паруса также можно масштабировать до собственных размеров CubSat, а малая масса спутника приводит к большему ускорению для определенной области солнечного паруса.

Однако солнечные паруса по-прежнему должны быть достаточно большими по сравнению со спутником, что делает механическую сложность дополнительным источником потенциального отказа. В настоящее время лишь немногие CubeSats использовали солнечный парус, но он остается областью потенциального развития, поскольку это единственный метод, который не нуждается в топливе или включает опасные материалы.

Поскольку двигатели миниатюрны, они создают несколько технических проблем и ограничений. Например, векторизация тяги (то есть карданов) невозможна с малыми двигателями. Таким образом, векторизация должна быть достигнута путем использования нескольких сопел для асимметричной тяги или использования приводимых в действие компонентов для изменения центра масс относительно геометрии CubeSat.

История:

Начиная с 1999 года, Калифорнийский политехнический государственный университет и Стэнфордский университет разработали спецификации CubeSat, чтобы помочь университетам во всем мире заниматься космической наукой и исследованиями. Термин «CubeSat» был придуман для обозначения наноспутников, которые придерживаются стандартов, описанных в спецификациях проектирования CubeSat.

Они были изложены профессором аэрокосмической инженерии Джорди Пуиг-Суари и Бобом Твиггсом с факультета аэронавтики и астронавтики Стэнфордского университета. С тех пор она стала международным партнерством более 40 институтов, которые разрабатывают наноспутники, содержащие научные данные.

Первоначально, несмотря на их небольшой размер, академические учреждения были ограничены в том, что они были вынуждены ждать, иногда годы, возможности запуска. Это было в некоторой степени исправлено разработкой Калифорнийского политехника Poly-PicoSatell Orbitital Deployer (также известного как P-POD). P-POD устанавливаются на ракету-носитель и выводят CubeSats на орбиту и развертывают их, как только от ракеты-носителя получен соответствующий сигнал.

Согласно JordiPuig-Suari, целью этого было «сократить время разработки спутника до временных рамок карьеры студента колледжа и использовать возможности запуска с большим количеством спутников». Короче говоря, P-POD гарантируют, что многие CubeSats могут быть запущены в любой момент времени.

Несколько компаний создали CubeSats, в том числе производитель крупных спутников Boeing. Тем не менее, большая часть разработок происходит из научных кругов, со смешанным списком успешно вращающихся CubeSats и провальных миссий. С момента своего создания, CubeSats использовались для бесчисленных приложений.

Например, они использовались для развертывания систем автоматической идентификации (AIS) для мониторинга морских судов, развертывания дистанционных датчиков Земли, для проверки долгосрочной жизнеспособности космических привязей, а также для проведения биологических и радиологических экспериментов.

В академическом и научном сообществе эти результаты распространяются, и ресурсы становятся доступными, общаясь напрямую с другими разработчиками и посещая семинары CubeSat. Кроме того, программа CubeSat выгодна частным фирмам и правительствам, предоставляя недорогой способ полета полезных грузов в космосе.

В 2010 году НАСА создало «Инициативу по запуску CubeSat», целью которой является предоставление услуг по запуску образовательным учреждениям и некоммерческим организациям, чтобы они могли запускать свои CubeSat в космос. В 2015 году НАСА инициировало Cube Quest Challenge в рамках своих программ Centennial Challenges.

Этот поощрительный конкурс с призовым фондом в 5 млн. Долл. США был направлен на содействие созданию малых спутников, способных работать за пределами низкой околоземной орбиты, особенно на лунной орбите или в глубоком космосе. В конце соревнования будут выбраны до трех команд для запуска дизайна CubeSat на борту миссии SLS-EM1 в 2018 году.

Наземная миссия НАСА InSight (запуск которой запланирован на 2018 год) также будет включать два CubeSats. Они проведут облет Марса и обеспечат дополнительную ретрансляционную связь с Землей во время въезда и приземления корабля.

Этот экспериментальный CubeSat размером 6U, получивший обозначение Mars Cube One (MarCO), станет первой миссией в глубоком космосе, в которой используется технология CubeSat. Он будет использовать антенну X-диапазона с плоским усилением и плоской панелью для передачи данных на Марс-разведывательный орбитальный аппарат НАСА (MRO), который затем ретранслирует его на Землю.

Создание космических систем меньшего размера и более доступным является одним из признаков эпохи возобновления освоения космоса. Это также одна из главных причин, почему индустрия NewSpace росла как на дрожжах в последние годы. И с более высоким уровнем участия мы видим большую отдачу, когда дело доходит до исследований, разработок и исследований.

Мы написали много статей о CubeSat для космического журнала. Вот Планетарное общество, которое запустит три отдельных солнечных паруса, первые межпланетные CubeSats для запуска на космическом корабле НАСА 2016 InSight Mars Lander, который заставляет CubeSats делать астрономию, что вы можете сделать с кубесатом ?, Эти кубы могут использовать плазменные двигатели, чтобы покинуть нашу солнечную систему.

Если вам нужна дополнительная информация о CubeSat, посетите официальную домашнюю страницу CubeSat.

Мы записали эпизод «Астрономии», посвященный космическому шаттлу. Послушайте, Эпизод 127: Американский космический челнок.

Источники: