HVA ER CUBESATS?

Send

En av de definerende egenskapene til den moderne tid for romutforskning er den åpne naturen. Tidligere var rom en grense som bare var tilgjengelig for to føderale romfartsorganer - NASA og det sovjetiske romfartsprogrammet. Men takket være fremveksten av nye teknologier og kostnadsbesparende tiltak, er privat sektor nå i stand til å tilby sine egne lanseringstjenester.

I tillegg er akademiske institusjoner og små land nå i stand til å bygge sine egne satellitter for å utføre atmosfærisk forskning, gjøre observasjoner av Jorden og teste nye romteknologier. Det er det som er kjent som CubeSat, en miniatyrisert satellitt som gir mulighet for kostnadseffektiv romforskning.

Struktur og design:

Også kjent som nanosatellitter, er CubeSats bygget til standard dimensjoner på 10 x 10 x 11 cm (1 U) og er formet som terninger (derav navnet). De er skalerbare, kommer i versjoner som måler 1U, 2Us, 3Us eller 6Us på en side, og veier vanligvis mindre enn 1,33 kg (3 lbs) per U. CubSats på 3Us eller mer er den største, og består av tre enheter stablet på langs med en sylinder som omslutter dem alle.

I de senere år har større CubeSat-plattformer blitt foreslått, som inkluderer en 12U-modell (20 x 20 x 30 cm eller 24 x 24 x 36 cm), som vil utvide mulighetene til CubeSats utover akademisk forskning og utprøving av nye teknologier, med mer kompleks vitenskap og nasjonale forsvarsmål.

Hovedårsaken til at miniaturisering av satellitter er å redusere kostnadene for distribusjon, og fordi de kan settes ut i overskuddskapasiteten til et utskytningsbil. Dette reduserer risikoen forbundet med oppdrag der ekstra last må tilbakeføres til bæreraketten, og også muliggjør endring av last på kort varsel.

De kan også lages ved hjelp av kommersielle elektroniske komponenter (COTS) som gjør dem relativt enkle å lage. Siden CubeSats-oppdrag ofte blir gjort til veldig lave jordbaner (LEO), og opplever atmosfærisk reentry etter bare dager eller uker, kan stråling i stor grad ignoreres og standard elektronikk av forbrukerklasse kan brukes.

CubeSats er bygget av fire spesifikke typer aluminiumslegering for å sikre at de har samme termiske utvidelseskoeffisient som utskytningsbilen. Satellittene er også belagt med et beskyttende oksydlag langs enhver overflate som kommer i kontakt med utskytningsbilen for å forhindre at de blir kaldsveiset på plass av ekstrem belastning.

Komponenter:

CubeSats har ofte flere datamaskiner ombord for å utføre forskning, og sørger for holdningskontroll, thrustere og kommunikasjon. Vanligvis er andre datamaskiner ombord inkludert for å sikre at hoveddatamaskinen ikke blir overbelastet av flere datastrømmer, men alle andre datamaskiner ombord må være i stand til å komme i kontakt med den.

En primær datamaskin er vanligvis ansvarlig for å delegere oppgaver til andre datamaskiner - for eksempel holdningskontroll, beregninger for banebaner og planlegge oppgaver. Fremdeles kan den primære datamaskinen brukes til nyttelastrelaterte oppgaver, for eksempel bildebehandling, dataanalyse og datakomprimering.

Miniaturiserte komponenter gir holdningskontroll, som vanligvis består av reaksjonshjul, magnetorquers, thrustere, star trackers, Sun and Earth sensorer, vinkelhastighetssensorer og GPS mottakere og antenner. Mange av disse systemene brukes ofte i kombinasjon for å kompensere for mangler og for å gi nivåer av redundans.

Sol- og stjernesensorer brukes til å gi retningsrettet peking, mens det å føle jorden og dens horisont er viktig for å gjennomføre Jorden og atmosfæriske studier. Solsensorer er også nyttige for å sikre at CubsSat er i stand til å maksimere tilgangen til solenergi, som er det viktigste middelet til å drive en CubeSat - der solcellepaneler er integrert i satellittenes ytre foringsrør.

I mellomtiden kan fremdrift komme i en rekke former, som alle involverer miniatyriserte thrustere som gir små mengder spesifikk impuls. Satellitter er også utsatt for strålende oppvarming fra Solen, Jorden og reflektert sollys, for ikke å snakke om varmen som genereres av komponentene deres.

Som sådan kommer CubeSat's også med isolasjonslag og varmeovner for å sikre at komponentene deres ikke overskrider temperaturområdene, og at overflødig varme kan spres. Temperatursensorer er ofte inkludert for å overvåke for farlige temperaturøkninger eller -fall.

For kommunikasjon kan CubeSat's stole på antenner som fungerer i VHF, UHF eller L-, S-, C- og X-bånd. Disse er stort sett begrenset til 2W strøm på grunn av CubeSats lille størrelse og begrensede kapasitet. De kan være helikopter-, dipol- eller monodireksjonsmonopolantenner, men det utvikles mer sofistikerte modeller.

Fremdrift:

CubeSats er avhengige av mange forskjellige fremdriftsmetoder, noe som igjen har ført til fremskritt innen mange teknologier. De vanligste metodene inkluderer kald gass, kjemisk, elektrisk fremdrift og solseil. En kald gass-thruster er avhengig av inert gass (som nitrogen) som lagres i en tank og frigjøres gjennom en dyse for å generere skyvekraft.

Når fremdriftsmetoder går, er det det enkleste og mest nyttige systemet en CubeSat kan bruke. Det er også noe av det sikreste, siden de fleste kalde gasser verken er flyktige eller etsende. De har imidlertid begrenset ytelse og kan ikke oppnå høye impulsmanøvrer. Derfor er de vanligvis brukt i holdningskontrollsystemer, og ikke som hoved thrustere.

Kjemiske fremdriftssystemer er avhengige av kjemiske reaksjoner for å produsere høyt trykk, høy temperatur gass som deretter ledes gjennom en dyse for å skape skyvekraft. De kan være flytende, faste eller en hybrid, og kommer vanligvis ned på kombinasjonen av kjemikalier kombinert med en katalysator eller et oksidasjonsmiddel. Disse thrusterne er enkle (og kan derfor miniaturiseres enkelt), har lave effektbehov og er veldig pålitelige.

Elektrisk fremdrift er avhengig av elektrisk energi for å akselerere ladede partikler til høye hastigheter - også. Hall-effekt thrustere, ion thrusters, pulsede plasma thrustere, etc. Denne metoden er fordelaktig siden den kombinerer høy spesifikk impuls med høy effektivitet, og komponentene kan enkelt miniaturiseres. En ulempe er at de krever ekstra strøm, som betyr enten større solceller, større batterier og mer komplekse kraftsystemer.

Solseil brukes også som en metode for fremdrift, noe som er fordelaktig fordi det ikke krever noe drivmiddel. Solseil kan også skaleres til CubSats egne dimensjoner, og satellittens lille masse resulterer i større akselerasjon for et gitt solseglområde.

Imidlertid trenger solseil fortsatt å være ganske store sammenlignet med satellitten, noe som gjør mekanisk kompleksitet til en ekstra kilde til potensiell svikt. På dette tidspunktet har få CubeSats ansatt et solseil, men det er fortsatt et område med potensiell utvikling siden det er den eneste metoden som ikke trenger noe drivmiddel eller involverer farlige materialer.

Fordi thrusterne er miniatyriserte, skaper de flere tekniske utfordringer og begrensninger. For eksempel er skyvevektorering (dvs. gimbals) umulig med mindre thrustere. Som sådan må vektorering i stedet oppnås ved å bruke flere dyser for å skyve asymmetrisk eller bruke aktiverte komponenter for å endre massesenteret i forhold til CubeSats geometri.

Historie:

Fra 1999 utviklet California Polytechnic State University og Stanford University CubeSat-spesifikasjonene for å hjelpe universiteter over hele verden med å utføre romvitenskap og utforsking. Begrepet “CubeSat” ble myntet på for å betegne nanosatellitter som overholder standardene beskrevet i CubeSat designspesifikasjoner.

Disse ble lagt ut av luftfartsingeniørprofessor Jordi Puig-Suari og Bob Twiggs, fra Institutt for luftfart & astronautikk ved Stanford University. Siden har det vokst til å bli et internasjonalt samarbeid mellom over 40 institutter som utvikler nanosatellitter som inneholder vitenskapelig nyttelast.

Opprinnelig, til tross for deres lille størrelse, var akademiske institusjoner begrenset ved at de ble tvunget til å vente, noen ganger år, på en lanseringsmulighet. Dette ble utbedret i en grad av utviklingen av Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (ellers kjent som P-POD), av California Polytechnic. P-PODs er montert på et utskytningsbil og fører CubeSats inn i bane og distribuerer dem når riktig signal er mottatt fra utskytningsbilen.

Formålet med dette, ifølge JordiPuig-Suari, var "å redusere satellittutviklingstiden til tidsrammen for en høyskolestudents karriere og utnytte lanseringsmuligheter med et stort antall satellitter." Kort sagt, P-POD-er sikrer at mange CubeSats kan lanseres til enhver tid.

Flere selskaper har bygget CubeSats, inkludert den store satellittprodusenten Boeing. Imidlertid kommer størstedelen av utviklingen fra akademia, med en blandet registrering av vellykkede bane rundt CubeSats og mislykkede oppdrag. Siden oppstarten har CubeSats blitt brukt til utallige applikasjoner.

For eksempel har de blitt brukt til å distribuere Automatic Identification Systems (AIS) for å overvåke marine fartøyer, distribuere jordfjerningssensorer, for å teste levedyktigheten på lang sikt, samt å utføre biologiske og radiologiske eksperimenter.

Innenfor det faglige og vitenskapelige miljøet deles disse resultatene og ressurser blir gjort tilgjengelig ved å kommunisere direkte med andre utviklere og delta på CubeSat-workshops. I tillegg kommer CubeSat-programmet til fordel for private firmaer og myndigheter ved å tilby en rimelig måte å fly nyttelast i verdensrommet.

I 2010 opprettet NASA “CubeSat Launch Initiative”, som har som mål å tilby lanseringstjenester for utdanningsinstitusjoner og ideelle organisasjoner slik at de kan få CubeSats ut i verdensrommet. I 2015 innledet NASA sin Cube Quest Challenge som en del av Centennial Challenges-programmene.

Med en prispung på $ 5 millioner, hadde denne insentivkonkurransen som mål å fremme opprettelsen av små satellitter som kan operere utenfor den lave jordens bane - spesielt i månens bane eller dype rom. På slutten av konkurransen vil opptil tre lag bli valgt ut for å starte deres CubeSat-design ombord SLS-EM1-oppdraget i 2018.

NASAs InSight lander-oppdrag (planlagt lansert i 2018), vil også omfatte to CubeSats. Disse vil gjennomføre en flyby av Mars og gi ekstra stafettkommunikasjon til Jorden under landerens inntreden og landing.

Designated Mars Cube One (MarCO), denne eksperimentelle 6U-størrelsen CubeSat, vil være det første dype romoppdraget som stoler på CubeSat-teknologi. Den vil bruke en høy gevinst, flatskjermet X-båndantenne for å overføre data til NASAs Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - som deretter vil videresende dem til Jorden.

Å gjøre romsystemer mindre og rimeligere er et av kjennetegnene til æraen med leting etter fornyet plass. Det er også en av hovedårsakene til at NewSpace-industrien har vokst med store sprang de siste årene. Og med større deltakelsesnivå, ser vi større avkastning når det gjelder forskning, utvikling og utforsking.

Vi har skrevet mange artikler om CubeSat for Space Magazine. Her er Planet Society for å lansere tre separate solseil, første interplanetære kubber som skal lanseres på NASAs 2016 InSight Mars Lander, få CubeSats til å gjøre astronomi, hva kan du gjøre med en kubikk?

Hvis du vil ha mer informasjon om CubeSat, kan du sjekke ut CubeSats offisielle hjemmeside.

Vi har spilt inn en episode av Astronomy Cast alt om romfergen. Hør her, avsnitt 127: Den amerikanske romfergen.

kilder: