HVAD ER CUBESATS?

Send

Et af de definerende kendetegn ved den moderne tidsalder for rumforskning er den åbne natur. Tidligere var pladsen en grænse, der kun var tilgængelig for to føderale rumfartsagenturer - NASA og det sovjetiske rumprogram. Men takket være fremkomsten af nye teknologier og omkostningsbesparende foranstaltninger er den private sektor nu i stand til at levere deres egne lanceringstjenester.

Derudover er akademiske institutioner og små lande nu i stand til at bygge deres egne satellitter med det formål at udføre atmosfærisk forskning, foretage observationer af Jorden og teste nye rumteknologier. Det er hvad der er kendt som CubeSat, en miniaturiseret satellit, der giver mulighed for omkostningseffektiv rumforskning.

Struktur og design:

Også kendt som nanosatellitter er CubeSats bygget til standardmål på 10 x 10 x 11 cm (1 U) og er formet som terninger (deraf navnet). De er skalérbare og kommer i versioner, der måler 1U, 2Us, 3Us eller 6Us på en side, og vejer typisk mindre end 1,33 kg (3 lbs) pr. U. CubSats på 3Us eller mere er de største, og består af tre enheder stablet på langs med en cylinder, der omslutter dem alle.

I de senere år er større CubeSat-platforme blevet foreslået, som inkluderer en 12U-model (20 x 20 x 30 cm eller 24 x 24 x 36 cm), der ville udvide CubeSats kapacitet ud over akademisk forskning og afprøve nye teknologier, der indbefatter mere kompleks videnskab og nationale forsvarsmål.

Hovedårsagen til at miniaturisere satellitter er at reducere omkostningerne ved installation, og fordi de kan indsættes i overskydende kapacitet for et lanceringskøretøj. Dette reducerer risikoen forbundet med missioner, hvor yderligere last skal tilbagespændes til løfteraket, og det muliggør også ændringer af last på kort varsel.

De kan også fremstilles ved hjælp af kommercielle elektroniske komponenter (COTS), hvilket gør dem sammenlignelige nemme at oprette. Da CubeSats-missioner ofte foretages til meget lave jordbaner (LEO), og oplever atmosfærisk genindtræden efter bare dage eller uger, kan stråling i vid udstrækning ignoreres, og standardelektronik til forbrugerkvalitet kan bruges.

CubeSats er bygget af fire specifikke typer aluminiumslegering for at sikre, at de har den samme termiske udvidelseskoefficient som startkøretøjet. Satellittene er også belagt med et beskyttende oxidlag langs enhver overflade, der kommer i kontakt med lanceringsvognen for at forhindre dem i at blive koldsvejset på plads ved ekstrem belastning.

Komponenter:

CubeSats bærer ofte flere indbyggede computere med henblik på at udføre forskning og sørger for holdningskontrol, thrustere og kommunikation. Typisk er andre indbyggede computere inkluderet for at sikre, at hovedcomputeren ikke overbelastes af flere datastrømme, men alle andre indbyggede computere skal være i stand til at skabe grænseflade med den.

En primær computer er typisk ansvarlig for at delegere opgaver til andre computere - såsom holdningskontrol, beregninger for orbitalmanøvrer og planlægningsopgaver. Den primære computer kan stadig bruges til nyttelastrelaterede opgaver, såsom billedbehandling, dataanalyse og datakomprimering.

Miniaturiserede komponenter giver holdningskontrol, som normalt består af reaktionshjul, magnetorquers, thrustere, stjernesporere, sol og jord sensorer, vinkelhastighed sensorer og GPS modtagere og antenner. Mange af disse systemer bruges ofte i kombination for at kompensere for mangler og til at give niveauer af redundans.

Sol- og stjernesensorer bruges til at give retningsbestemt pegning, mens sensing af Jorden og dens horisont er vigtig for at gennemføre Jorden og atmosfæriske undersøgelser. Solsensorer er også nyttige til at sikre, at CubsSat er i stand til at maksimere sin adgang til solenergi, som er det primære middel til at drive en CubeSat - hvor solcellepaneler er indbygget i satelliternes ydre kabinet.

I mellemtiden kan fremdrift komme i en række former, som alle involverer miniaturiserede thrustere, der leverer små mængder af specifik impuls. Satellitter udsættes også for strålende opvarmning fra Solen, Jorden og reflekteret sollys, for ikke at nævne varmen, der genereres af deres komponenter.

Som sådan leveres CubeSat's også med isoleringslag og varmeelementer for at sikre, at deres komponenter ikke overskrider deres temperaturintervaller, og at overskydende varme kan spredes. Temperatursensorer er ofte inkluderet for at overvåge for farlige temperaturstigninger eller -fald.

For kommunikation kan CubeSat's stole på antenner, der fungerer i VHF, UHF eller L-, S-, C- og X-bånd. Disse er for det meste begrænset til 2W strøm på grund af CubeSats lille størrelse og begrænsede kapacitet. De kan være helix-, dipol- eller monodirektionsmonopolantenner, skønt der udvikles mere sofistikerede modeller.

Fremdrift:

CubeSats er afhængige af mange forskellige fremdrivningsmetoder, hvilket igen har ført til fremskridt inden for mange teknologier. De mest almindelige metoder inkluderer kold gas, kemisk, elektrisk fremdrift og solsejl. En koldgasstruster er afhængig af inert gas (som nitrogen), der opbevares i en tank og frigives gennem en dyse for at generere tryk.

Efterhånden som fremdrivningsmetoder går, er det det enkleste og mest nyttige system, en CubeSat kan bruge. Det er også en af de sikreste, da de fleste kolde gasser hverken er flygtige eller ætsende. De har dog begrænset ydelse og kan ikke opnå høje impulsmanøvrer. Derfor bruges de generelt i holdningskontrolsystemer og ikke som hovedtrustere.

Kemiske fremdrivningssystemer er afhængige af kemiske reaktioner for at producere gas under højt tryk ved høj temperatur, som derefter ledes gennem en dyse for at skabe tryk. De kan være flydende, faste eller en hybrid og kommer normalt ned på kombinationen af kemikalier kombineret med en katalysator eller et oxidationsmiddel. Disse thrustere er enkle (og kan derfor let miniatureres), har lave effektbehov og er meget pålidelige.

Elektrisk fremdrift er afhængig af elektrisk energi for at fremskynde ladede partikler til høje hastigheder - også. Hall-effekt-thrustere, ion-thrustere, pulserede plasma-thrustere osv. Denne metode er fordelagtig, da den kombinerer høj specifik impuls med høj effektivitet, og komponenterne kan let miniaturiseres. En ulempe er, at de kræver yderligere strøm, hvilket betyder enten større solceller, større batterier og mere komplekse kraftsystemer.

Solsejl bruges også som en metode til fremdrift, hvilket er fordelagtigt, fordi det ikke kræver drivmiddel. Solsejl kan også skaleres til CubSat's egne dimensioner, og satellitens lille masse resulterer i større acceleration for et givet solsejlområde.

Imidlertid skal solsejl stadig være ret store sammenlignet med satellitten, hvilket gør mekanisk kompleksitet til en ekstra kilde til potentiel svigt. På dette tidspunkt har få CubeSats brugt et solsejl, men det er stadig et område med potentiel udvikling, da det er den eneste metode, der ikke behøver noget drivmiddel eller involverer farlige materialer.

Fordi thrusterne er miniaturiserede, skaber de adskillige tekniske udfordringer og begrænsninger. F.eks. Er skyvevektorering (dvs. gimbals) umulig med mindre thrustere. Som sådan skal vektorering i stedet opnås ved at bruge flere dyser til at skyve asymmetrisk eller bruge aktiverede komponenter til at ændre massecentret i forhold til CubeSat's geometri.

Historie:

Fra og med 1999 udviklede California Polytechnic State University og Stanford University CubeSat-specifikationerne for at hjælpe universiteter over hele verden med at udføre rumvidenskab og efterforskning. Udtrykket "CubeSat" blev opfundet for at betegne nanosatellitter, der overholder de standarder, der er beskrevet i CubeSat-designspecifikationerne.

Disse blev opstillet af professor i luftfartsingeniør Jordi Puig-Suari og Bob Twiggs fra Institut for Aeronautics & Astronautics ved Stanford University. Siden er det vokset til at blive et internationalt partnerskab mellem over 40 institutter, der udvikler nanosatellitter indeholdende videnskabelig nyttelast.

Oprindeligt, til trods for deres lille størrelse, var akademiske institutioner begrænset, da de blev tvunget til at vente, undertiden år, på en lanceringsmulighed. Dette blev afhjulpet i en udstrækning af udviklingen af Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (ellers kendt som P-POD) af California Polytechnic. P-POD'er er monteret på et lanceringskøretøj og transporterer CubeSats i bane og indsætter dem, når det rigtige signal er modtaget fra lanceringskøretøjet.

Formålet med dette var ifølge JordiPuig-Suari "at reducere satellitudviklingstiden til tidsrammen for en universitetsstuderendes karriere og udnytte mulighederne for at starte med et stort antal satellitter." Kort sagt, P-POD’er sikrer, at mange CubeSats kan startes til enhver tid.

Flere virksomheder har bygget CubeSats, herunder Boeing med stor satellitproducent. Imidlertid stammer størstedelen af udviklingen fra akademia med en blandet rekord af vellykkede kredsløb om CubeSats og mislykkede missioner. Siden deres begyndelse er CubeSats blevet brugt til utallige applikationer.

For eksempel er de blevet brugt til at indsætte automatiske identifikationssystemer (AIS) til overvågning af marine fartøjer, indsættelse af fjernbetjeningssensorer til jord, til test af den langsigtede levedygtighed af rummetre, samt udførelse af biologiske og radiologiske eksperimenter.

Inden for det akademiske og videnskabelige samfund deles disse resultater, og ressourcer stilles til rådighed ved at kommunikere direkte med andre udviklere og deltage i CubeSat-workshops. Derudover er CubeSat-programmet til gavn for private virksomheder og regeringer ved at tilvejebringe en billig måde at flyve nyttelast på i rummet.

I 2010 oprettede NASA “CubeSat Launch Initiative”, der sigter mod at levere lanceringstjenester til uddannelsesinstitutioner og almennyttige organisationer, så de kan få deres CubeSats ud i rummet. I 2015 indledte NASA sin Cube Quest Challenge som en del af deres Centennial Challenges-programmer.

Med en præmiepose på 5 millioner dollars var denne incitament-konkurrence rettet mod at skabe oprettelse af små satellitter, der er i stand til at operere ud over den lave jordbane - specifikt i månens bane eller dybe rum. I slutningen af konkurrencen vælges op til tre hold til at starte deres CubeSat-design ombord på SLS-EM1-missionen i 2018.

NASAs InSight lander-mission (planlagt til lancering i 2018) vil også omfatte to CubeSats. Disse vil føre en flyby af Mars og give yderligere relækommunikation til Jorden under landerens indrejse og landing.

Designeret Mars Cube One (MarCO), denne eksperimentelle 6U-størrelse CubeSat vil være den første dybde-rum-mission, der stoler på CubeSat-teknologi. Den vil bruge en højtydende, fladpanelet X-bånd-antenne til at overføre data til NASAs Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - som derefter videresender dem til Jorden.

At gøre rumsystemer mindre og mere overkommelige er et af kendetegnene for æraen med efterforskning af fornyet rum. Det er også en af de vigtigste grunde til, at NewSpace-industrien er vokset med store spring i de senere år. Og med større deltagelsesniveauer ser vi større afkast, når det kommer til forskning, udvikling og efterforskning.

Vi har skrevet mange artikler om CubeSat for Space Magazine. Her er Planetary Society til at starte tre separate solsejl, første interplanetære terninger til lancering på NASAs 2016 InSight Mars Lander, få CubeSats til at gøre astronomi, hvad kan du gøre med en cubesat? Disse cubesats kunne bruge plasma-thrustere til at forlade vores solsystem.

Hvis du gerne vil have mere information om CubeSat, kan du tjekke CubeSats officielle hjemmeside.

Vi har optaget en episode af Astronomy Cast alt om rumfærgen. Lyt her, afsnit 127: Den amerikanske rumfærge.

Kilder: