Ena od pomembnih značilnosti sodobne dobe vesoljskega raziskovanja je odprtost le-te. V preteklosti je bil vesolje meja, ki je bila dostopna le dvema zveznima vesoljskima agencijama - NASA in sovjetskim vesoljskim programom. Toda po zaslugi novih tehnologij in ukrepov za zmanjšanje stroškov je zdaj zasebni sektor sposoben zagotoviti lastne storitve lansiranja.
Poleg tega so akademske ustanove in majhne države zdaj sposobne zgraditi lastne satelite za izvajanje atmosferskih raziskav, opazovanja Zemlje in testiranja novih vesoljskih tehnologij. To je tisto, kar je znano kot CubeSat, miniaturni satelit, ki omogoča stroškovno učinkovite vesoljske raziskave.
Struktura in zasnova:
CubeSats so znani tudi kot nanoteliti, izdelani so v standardnih dimenzijah 10 x 10 x 11 cm (1 U) in so oblikovani kot kocke (od tod tudi ime). Prilagodljivi so v različicah, ki merijo 1U, 2U, 3U ali 6U na strani in običajno tehtajo manj kot 1,33 kg (3 lbs) na U. CubSats s 3 U ali več so največji, sestavljeni iz treh zloženih enot vzdolž valja, ki jih vse obda.
V zadnjih letih so bile predlagane večje platforme CubeSat, ki vključujejo 12U model (20 x 20 x 30 cm ali 24 x 24 x 36 cm), ki bi razširil zmogljivosti CubeSat-a zunaj akademskega raziskovanja in testiranja novih tehnologij, ki bi vključeval bolj zapleteno znanost in nacionalne cilje obrambe.
Glavni razlog miniaturnih satelitov je zmanjšanje stroškov uvajanja in ker jih je mogoče namestiti v presežni zmogljivosti izstrelitvenega vozila. To zmanjšuje tveganja, povezana z misijami, kjer je treba dodaten tovor pripeti na izstrelitev, prav tako pa omogoča, da se tovor spremeni v kratkem.
Izdelati jih je mogoče tudi s komercialnimi elektronskimi komponentami (COTS), kar jih omogoča enostavno ustvarjanje. Ker se naloge CubeSats pogosto izvajajo v zelo nizkih orbitah Zemlje (LEO) in se po nekaj dneh ali tednih ponovno srečujemo z atmosfero, je sevanje v veliki meri mogoče prezreti in uporabiti standardno elektroniko, ki ustreza potrošnikom.
CubeSats so izdelani iz štirih posebnih vrst aluminijeve zlitine, da se zagotovi enak koeficient toplotne ekspanzije kot lansirno vozilo. Sateliti so obloženi tudi z zaščitno oksidno plastjo vzdolž katere koli površine, ki pride v stik z lansirnim vozilom, da se prepreči, da bi jih zaradi velikega stresa hladno privarili.
Sestavni deli:
CubeSats pogosto prevažajo več računalnikov na vozilu zaradi izvajanja raziskav in zagotavljanja nadzora položaja, potiskov in komunikacije. Običajno so vključeni drugi vgrajeni računalniki, ki zagotavljajo, da glavni računalnik ni preobremenjen z več pretoki podatkov, vendar morajo biti vsi drugi vgrajeni računalniki z njim povezani.
Običajno je primarni računalnik odgovoren za prenos nalog v druge računalnike - na primer nadzor položaja, izračuni za orbitalne manevre in naloge načrtovanja. Kljub temu se primarni računalnik lahko uporablja za naloge, povezane z obremenitvijo, kot so obdelava slik, analiza podatkov in stiskanje podatkov.
Miniaturizirane komponente zagotavljajo nadzor položaja, običajno sestavljen iz reakcijskih koles, magnetorquerjev, potisnikov, zvezdnih sledilnikov, senzorjev sončnega in zemeljskega osi, senzorjev kotne hitrosti ter GPS sprejemnikov in anten. Mnogi od teh sistemov se pogosto uporabljajo v kombinaciji, da bi nadomestili pomanjkljivosti in zagotovili stopnje odvečnosti.
Senzorji sonca in zvezd se uporabljajo za usmerjanje smeri, medtem ko je zaznavanje Zemlje in njenega obzorja bistvenega pomena za izvajanje zemeljskih in atmosferskih študij. Sončni senzorji so koristni tudi za zagotavljanje, da lahko CubsSat poveča svoj dostop do sončne energije, kar je glavno sredstvo za napajanje CubeSat - kjer so solarni paneli vgrajeni v zunanje ohišje satelitov.
Medtem lahko pogonska sila obstaja v več oblikah, pri čemer vsi vključujejo miniaturistične potisnike, ki zagotavljajo majhne količine specifičnega impulza. Sateliti so tudi izpostavljeni sevalnemu segrevanju Sonca, Zemlje in odbijajoče se sončne svetlobe, da ne omenjam toplote, ki jo ustvarjajo njihove komponente.
Kot tak CubeSat so na voljo tudi izolacijski sloji in grelniki, ki zagotavljajo, da njihovi sestavni deli ne presegajo temperaturnih temperatur in da se odvečna toplota lahko razprši. Pogosto so vključeni temperaturni senzorji za spremljanje nevarnih zvišanj ali padcev temperature.
Za komunikacijo se lahko CubeSat zanesejo na antene, ki delujejo v VHF, UHF ali L-, S-, C- in X-pasovih. Ti so večinoma omejeni na 2W moči zaradi majhnosti CubeSat in omejene zmogljivosti. Lahko so spiralne, dipolne ali monodirekcijske monopolne antene, čeprav se razvijajo bolj zapleteni modeli.
Pogon:
CubeSats se zanašajo na veliko različnih načinov pogona, kar je posledično vodilo do napredka v številnih tehnologijah. Najpogostejše metode vključujejo hladno plinsko, kemično, električno pogon in sončna jadra. Potisnik hladnega plina temelji na inertnem plinu (kot dušik), ki je shranjen v rezervoarju in sproščen skozi šobo, da ustvari potisk.
Ko gredo metode pogona, je to najpreprostejši in najbolj uporaben sistem, ki ga lahko uporablja CubeSat. Je tudi eden najvarnejših, saj večina hladnih plinov ni hlapnih niti jedkih. Vendar imajo omejene zmogljivosti in ne morejo doseči visokih impulznih manevrov. Zato se ponavadi uporabljajo v sistemih za nadzor položaja in ne kot glavni potiski.
Kemični pogonski sistemi se zanašajo na kemične reakcije za proizvodnjo visokotlačnega visokotemperaturnega plina, ki se nato usmeri skozi šobo, da ustvari potisk. Lahko so tekoči, trdni ali hibridni in se navadno spustijo na kombinacijo kemikalij v kombinaciji s katalizatorji ali oksidantom. Ti potiski so preprosti (in jih je zato mogoče enostavno miniaturisati), imajo majhne potrebe po moči in so zelo zanesljivi.
Električni pogon se zanaša na električno energijo za pospeševanje nabitih delcev do velikih hitrosti - aka. Hallow-efektni potiski, ionski potiski, pulzni plazemski potisniki itd. Ta metoda je koristna, saj združuje visok specifični impulz z visoko učinkovitostjo, komponente pa je mogoče enostavno miniaturiti. Pomanjkljivost je, da potrebujejo dodatno moč, kar pomeni bodisi večje sončne celice, večje baterije in bolj zapletene napajalne sisteme.
Sončna jadra se uporabljajo tudi kot način za pogon, kar je koristno, ker ne potrebuje pogonskega goriva. Sončna jadra se lahko prilagodijo tudi lastnim dimenzijam CubSat-a, majhna masa satelita pa povzroči večje pospeške za določeno območje sončnega jadra.
Vendar pa morajo biti sončna jadra še vedno precej velika v primerjavi s satelitom, zaradi česar je mehanska zapletenost dodaten vir potencialnih okvar. Trenutno je malo CubeSatov uporabljalo sončno jadro, vendar ostaja področje potencialnega razvoja, saj je to edina metoda, ki ne potrebuje pogonskega goriva ali vključuje nevarne materiale.
Ker so potiski miniaturni, ustvarjajo več tehničnih izzivov in omejitev. Na primer, vektorstvo potiska (t.i. gimbal) je z manjšimi potisniki nemogoče. Namesto tega je treba vektorstvo doseči z uporabo več šob za asimetrično potiskanje ali uporabo aktiviranih komponent, da spremenimo središče mase glede na geometrijo CubeSat.
Zgodovina:
Začetek leta 1999 sta Kalifornijska državna univerza Polytechnic in Univerza Stanford razvila specifikacije CubeSat, da bi univerzam po vsem svetu pomagali izvajati vesoljske znanosti in raziskovanje. Izraz "CubeSat" je bil skovan, da označuje nanotelite, ki ustrezajo standardom, opisanim v konstrukcijskih specifikacijah CubeSat.
To sta oblikovala profesor vesoljskega inženirstva Jordi Puig-Suari in Bob Twiggs z oddelka za letalstvo in astronavtiko na univerzi Stanford. Odtlej je postalo mednarodno partnerstvo več kot 40 inštitutov, ki razvijajo nanotelite, ki vsebujejo znanstvene koristne obremenitve.
Sprva so bile akademske ustanove kljub svoji majhnosti omejene, ker so morale čakati, včasih tudi leta, na priložnost za zagon. To je bilo v določeni meri odpravljeno z razvojem Orbitalnega razdelilnika Poly-PicoSatellite (sicer imenovanega P-POD) s strani kalifornijske politehnike. P-POD so nameščeni na lansirnem vozilu in nosijo CubeSats v orbito in jih sprožijo, ko je ustrezni signal sprejet iz izstrelitve.
JordiPuig-Suari je bil namen tega "zmanjšati čas razvoja satelita na časovni okvir kariere študenta in izkoristiti priložnosti za zagon z velikim številom satelitov." Skratka, P-POD zagotavljajo, da se lahko v določenem času začne veliko CubeSatov.
CubeSats je zgradilo več podjetij, med njimi tudi Boeing, ki proizvaja velike satelite. Vendar večina razvoja prihaja iz akademskih krogov, z mešanim zapisom o uspešni orbiti CubeSats in neuspelih misijah. CubeSats so že od svoje ustanovitve uporabljali za nešteto aplikacij.
Na primer, bili so uporabljeni za uvajanje sistemov za samodejno identifikacijo (AIS) za spremljanje morskih plovil, uporabo zemeljskih daljinskih senzorjev, za testiranje dolgoročne sposobnosti preživetja vesoljskih prirobnic, pa tudi za izvajanje bioloških in radioloških eksperimentov.
Znotraj akademske in znanstvene skupnosti se ti rezultati delijo, viri pa so na voljo z neposrednim komuniciranjem z drugimi razvijalci in obiskovanjem delavnic CubeSat. Poleg tega program CubeSat koristi zasebnim podjetjem in vladam, saj zagotavlja poceni način letenja koristnih obremenitev v vesolju.
Leta 2010 je NASA ustanovila "CubeSat Launch Initiative", katere namen je zagotoviti storitve lansiranja izobraževalnih ustanov in neprofitnih organizacij, da bodo lahko svoje CubeSats spravili v vesolje. Leta 2015 je NASA začela del programa Cube Quest Challenge v okviru svojih programov Centennial Challenges.
Z nagradno torbico v višini 5 milijonov dolarjev je bilo s to spodbudno konkurenco namenjeno spodbujanje ustvarjanja majhnih satelitov, ki bi lahko delovali zunaj nizke zemeljske orbite - zlasti v lunarni orbiti ali globokem vesolju. Na koncu tekmovanja bodo izbrane do tri ekipe, ki bodo leta 2018 predstavile svoj CubeSat zasnovo na misiji SLS-EM1.
Nasina misija pošiljanja InSight (ki naj bi se začela leta 2018) bosta vključevala tudi dva CubeSats. Te bodo izvedle prelet Marsa in zagotovile dodatne relacijske komunikacije z Zemljo med vstopom in pristankom tovornjaka.
Ta eksperimentalni CubeSat v velikosti 6U, imenovan Mars Cube One, bo prva misija za globoko vesolje, ki se bo opirala na tehnologijo CubeSat. Uporabila bo visokozmogljivo anteno X-band z namenom prenosa podatkov na NASA-in Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - ta ga bo nato prenašal na Zemljo.
Zmanjševanje in cenovno dostopnost vesoljskih sistemov je eden od znakov ere prenovljenega raziskovanja vesolja. To je tudi eden glavnih razlogov, da industrija NewSpace v zadnjih letih raste skokovito in brez omejitev. In z večjo stopnjo udeležbe opažamo večje donose, ko gre za raziskave, razvoj in raziskovanje.
O CubeSatu za Space Magazine smo napisali veliko člankov. Tukaj bo Planetarno društvo lansiralo tri ločena sončna jadra, prve medplanetarne kocke za nabiranje na Nasino leta 2016 inSight Mars Lander, izdelovanje CubeSats-astronomije, kaj lahko storite s kubesatom?
Če želite več informacij o CubeSatu, si oglejte uradno domačo stran CubeSat.
Posneli smo epizodo Astronomy Cast o vesoljskem ladji. Poslušajte tukaj, Epizoda 127: Ameriški vesoljski prevoz.
Viri:
- NASA - CubeSats
- Wikipedia - CubeSat
- CubeSat - O nas
- CubeSatkit
