ΤΙ ΕΊΝΑΙ ΤΟ CUBESATS;

Send

Ένα από τα καθοριστικά χαρακτηριστικά της σύγχρονης εποχής της εξερεύνησης του διαστήματος είναι η ανοιχτή φύση του. Στο παρελθόν, το διάστημα ήταν ένα σύνορο που ήταν προσβάσιμο μόνο σε δύο ομοσπονδιακούς διαστημικούς οργανισμούς - τη NASA και το σοβιετικό διαστημικό πρόγραμμα. Αλλά χάρη στην εμφάνιση νέων τεχνολογιών και μέτρων μείωσης του κόστους, ο ιδιωτικός τομέας είναι πλέον σε θέση να παρέχει τις δικές του υπηρεσίες εκτόξευσης.

Επιπλέον, τα ακαδημαϊκά ιδρύματα και οι μικρές χώρες είναι πλέον σε θέση να κατασκευάσουν τους δικούς τους δορυφόρους με σκοπό τη διεξαγωγή ατμοσφαιρικής έρευνας, την πραγματοποίηση παρατηρήσεων στη Γη και τη δοκιμή νέων διαστημικών τεχνολογιών. Είναι αυτό που είναι γνωστό ως CubeSat, ένας μικροσκοπικός δορυφόρος που επιτρέπει την οικονομική διαστημική έρευνα.

Δομή και σχεδιασμός:

Επίσης γνωστά ως νανοσατλίτες, τα CubeSats είναι κατασκευασμένα σε τυπικές διαστάσεις 10 x 10 x 11 cm (1 U) και έχουν σχήμα κύβους (εξ ου και το όνομα). Είναι επεκτάσιμες, έρχονται σε εκδόσεις που μετρούν 1U, 2Us, 3Us ή 6Us στο πλάι και συνήθως ζυγίζουν λιγότερο από 1,33 kg (3 lbs) ανά U. CubSats 3Us ή περισσότερο είναι τα μεγαλύτερα, αποτελούμενα από τρεις μονάδες στοιβάζονται κατά μήκος με έναν κύλινδρο που τους περικλείει όλα.

Τα τελευταία χρόνια έχουν προταθεί μεγαλύτερες πλατφόρμες CubeSat, οι οποίες περιλαμβάνουν ένα μοντέλο 12U (20 x 20 x 30 cm ή 24 x 24 x 36 cm), το οποίο θα επεκτείνει τις δυνατότητες του CubeSats πέρα από την ακαδημαϊκή έρευνα και τη δοκιμή νέων τεχνολογιών, ενσωματώνοντας πιο περίπλοκη επιστήμη και εθνικούς αμυντικούς στόχους.

Ο κύριος λόγος για τη μικρογράφηση των δορυφόρων είναι η μείωση του κόστους ανάπτυξης και επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην υπερβολική χωρητικότητα ενός οχήματος εκτόξευσης. Αυτό μειώνει τους κινδύνους που συνδέονται με αποστολές, όπου το πρόσθετο φορτίο πρέπει να επιστραφεί στον εκτοξευτή και επιτρέπει επίσης αλλαγές φορτίου σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Μπορούν επίσης να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας εμπορικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα (COTS), γεγονός που τα καθιστά συγκρίσιμα εύκολα στη δημιουργία. Δεδομένου ότι οι αποστολές CubeSats πραγματοποιούνται συχνά σε τροχιά πολύ χαμηλής γης (LEO) και έχουν εμπειρία ατμοσφαιρικής επανεισόδου μετά από λίγες μέρες ή εβδομάδες, η ακτινοβολία μπορεί σε μεγάλο βαθμό να αγνοηθεί και να χρησιμοποιηθούν τυποποιημένα ηλεκτρονικά είδη καταναλωτή.

Τα CubeSats είναι κατασκευασμένα από τέσσερις ειδικούς τύπους κραμάτων αλουμινίου για να διασφαλίσουν ότι έχουν τον ίδιο συντελεστή θερμικής διαστολής με το όχημα εκτόξευσης. Οι δορυφόροι είναι επίσης επικαλυμμένοι με ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίου κατά μήκος οποιασδήποτε επιφάνειας που έρχεται σε επαφή με το όχημα εκτόξευσης για να τους αποτρέψει να συγκολληθούν εν ψυχρώ στη θέση τους από υπερβολική πίεση.

Συστατικά:

Το CubeSats συχνά μεταφέρει πολλούς ενσωματωμένους υπολογιστές για λόγους διεξαγωγής έρευνας, καθώς επίσης προβλέπει έλεγχο στάσης, προωθητές και επικοινωνίες. Συνήθως, περιλαμβάνονται και άλλοι υπολογιστές επί του σκάφους για να διασφαλιστεί ότι ο κύριος υπολογιστής δεν επιβαρύνεται από πολλές ροές δεδομένων, αλλά όλοι οι άλλοι ενσωματωμένοι υπολογιστές πρέπει να έχουν τη δυνατότητα διασύνδεσης με αυτόν.

Συνήθως, ένας κύριος υπολογιστής είναι υπεύθυνος για την ανάθεση εργασιών σε άλλους υπολογιστές - όπως έλεγχος συμπεριφοράς, υπολογισμοί για ελιγμούς σε τροχιά και εργασίες προγραμματισμού. Ωστόσο, ο κύριος υπολογιστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργασίες που σχετίζονται με το ωφέλιμο φορτίο, όπως επεξεργασία εικόνας, ανάλυση δεδομένων και συμπίεση δεδομένων.

Τα μικροσκοπικά εξαρτήματα παρέχουν έλεγχο συμπεριφοράς, συνήθως αποτελούμενο από τροχούς αντίδρασης, μαγνητοδιακόπτες, προωθητές, ανιχνευτές αστεριών, αισθητήρες Ήλιου και Γης, αισθητήρες γωνιακής συχνότητας και δέκτες GPS και κεραίες. Πολλά από αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό για να αντισταθμίσουν τις ελλείψεις και να παρέχουν επίπεδα πλεονασμού.

Οι αισθητήρες ήλιου και αστεριών χρησιμοποιούνται για την παροχή κατευθυντικής κατάδειξης, ενώ η ανίχνευση της Γης και του ορίζοντα της είναι απαραίτητη για τη διεξαγωγή μελετών της Γης και της ατμόσφαιρας. Οι αισθητήρες του ήλιου είναι επίσης χρήσιμοι για να διασφαλίσουν ότι το CubsSat είναι σε θέση να μεγιστοποιήσει την πρόσβασή του στην ηλιακή ενέργεια, το οποίο είναι το κύριο μέσο τροφοδοσίας ενός CubeSat - όπου οι ηλιακοί συλλέκτες ενσωματώνονται στο εξωτερικό περίβλημα των δορυφόρων.

Εν τω μεταξύ, η πρόωση μπορεί να διατίθεται σε διάφορες μορφές, οι οποίες περιλαμβάνουν μικροσκοπικούς προωθητές που παρέχουν μικρές ποσότητες συγκεκριμένης ώθησης. Οι δορυφόροι υπόκεινται επίσης σε ακτινοβολία θέρμανσης από τον Ήλιο, τη Γη και το ανακλώμενο φως του ήλιου, για να μην αναφέρουμε τη θερμότητα που παράγεται από τα συστατικά τους.

Ως εκ τούτου, το CubeSat έρχεται επίσης με στρώματα μόνωσης και θερμαντήρες για να διασφαλίσει ότι τα εξαρτήματά τους δεν υπερβαίνουν τα εύρη θερμοκρασίας τους και ότι η υπερβολική θερμότητα μπορεί να διαλυθεί. Οι αισθητήρες θερμοκρασίας συχνά περιλαμβάνονται για την παρακολούθηση επικίνδυνων αυξήσεων ή πτώσεων θερμοκρασίας.

Για επικοινωνίες, οι CubeSat μπορούν να βασίζονται σε κεραίες που λειτουργούν στις ζώνες VHF, UHF ή L-, S-, C- και X. Αυτά περιορίζονται κυρίως στα 2W ισχύος λόγω του μικρού μεγέθους και της περιορισμένης χωρητικότητας του CubeSat. Μπορούν να είναι ελικοειδείς, δίπολοι ή μονοπολικές κεραίες μονοκατευθυνόμενες, αν και αναπτύσσονται πιο εξελιγμένα μοντέλα.

Προώθηση:

Το CubeSats βασίζεται σε πολλές διαφορετικές μεθόδους προώθησης, οι οποίες με τη σειρά τους οδήγησαν σε πρόοδο σε πολλές τεχνολογίες. Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι περιλαμβάνουν ψυχρό αέριο, χημική, ηλεκτρική πρόωση και ηλιακά πανιά. Ένας προωθητής ψυχρού αερίου βασίζεται σε αδρανές αέριο (όπως άζωτο) το οποίο αποθηκεύεται σε μια δεξαμενή και απελευθερώνεται μέσω ενός ακροφυσίου για τη δημιουργία ώθησης.

Καθώς πηγαίνουν οι μέθοδοι πρόωσης, είναι το απλούστερο και πιο χρήσιμο σύστημα που μπορεί να χρησιμοποιήσει το CubeSat. Είναι επίσης ένα από τα ασφαλέστερα, καθώς τα περισσότερα κρύα αέρια δεν είναι ούτε πτητικά ούτε διαβρωτικά. Ωστόσο, έχουν περιορισμένη απόδοση και δεν μπορούν να επιτύχουν υψηλούς ελιγμούς ώθησης. Ως εκ τούτου, γιατί χρησιμοποιούνται γενικά σε συστήματα ελέγχου συμπεριφοράς και όχι ως βασικοί προωθητές.

Τα συστήματα χημικής πρόωσης βασίζονται σε χημικές αντιδράσεις για την παραγωγή αερίου υψηλής πίεσης και υψηλής θερμοκρασίας, το οποίο στη συνέχεια κατευθύνεται μέσω ενός ακροφυσίου για τη δημιουργία ώθησης. Μπορούν να είναι υγρά, στερεά ή υβριδικά, και συνήθως καταλήγουν στον συνδυασμό χημικών σε συνδυασμό με καταλύτες ή οξειδωτικό. Αυτοί οι προωθητές είναι απλοί (και μπορούν επομένως να μικρογραφούν εύκολα), έχουν χαμηλές απαιτήσεις ισχύος και είναι πολύ αξιόπιστοι.

Η ηλεκτρική πρόωση βασίζεται στην ηλεκτρική ενέργεια για την επιτάχυνση των φορτισμένων σωματιδίων σε υψηλές ταχύτητες - επίσης. Προωθητικά εφέ Hall, προωθητές ιόντων, προωθητές πλάσματος παλμού, κ.λπ. Αυτή η μέθοδος είναι επωφελής, καθώς συνδυάζει υψηλή ειδική ώθηση με υψηλή απόδοση, και τα εξαρτήματα μπορούν εύκολα να μικροποιηθούν. Ένα μειονέκτημα είναι ότι απαιτούν πρόσθετη ισχύ, πράγμα που σημαίνει είτε μεγαλύτερες ηλιακές κυψέλες, μεγαλύτερες μπαταρίες και πολύπλοκα συστήματα ισχύος.

Τα ηλιακά πανιά χρησιμοποιούνται επίσης ως μέθοδος πρόωσης, η οποία είναι επωφελής επειδή δεν απαιτεί προωθητικό. Τα ηλιακά πανιά μπορούν επίσης να κλιμακωθούν στις διαστάσεις του CubSat και η μικρή μάζα του δορυφόρου έχει ως αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη επιτάχυνση για μια δεδομένη περιοχή ηλιακού πανιού.

Ωστόσο, τα ηλιακά πανιά πρέπει ακόμη να είναι αρκετά μεγάλα σε σύγκριση με τον δορυφόρο, γεγονός που καθιστά τη μηχανική πολυπλοκότητα μια πρόσθετη πηγή πιθανής αστοχίας. Αυτή τη στιγμή, λίγοι CubeSats έχουν χρησιμοποιήσει ένα ηλιακό πανί, αλλά παραμένει ένας τομέας πιθανής ανάπτυξης, καθώς είναι η μόνη μέθοδος που δεν χρειάζεται προωθητικό ή περιλαμβάνει επικίνδυνα υλικά.

Επειδή οι προωστήρες είναι μικροσκοπικοί, δημιουργούν πολλές τεχνικές προκλήσεις και περιορισμούς. Για παράδειγμα, ο φορέας ώθησης (δηλ. Αντίζυγα) είναι αδύνατος με μικρότερους προωθητές. Ως εκ τούτου, ο φορέας πρέπει αντ 'αυτού να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας πολλαπλά ακροφύσια για ώθηση ασύμμετρα ή χρησιμοποιώντας ενεργοποιημένα στοιχεία για να αλλάξετε το κέντρο μάζας σε σχέση με τη γεωμετρία του CubeSat.

Ιστορία:

Ξεκινώντας το 1999, το Πανεπιστήμιο του Πολυτεχνείου της Καλιφόρνια και το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ ανέπτυξαν τις προδιαγραφές CubeSat για να βοηθήσουν τα πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο να πραγματοποιήσουν διαστημική επιστήμη και εξερεύνηση. Ο όρος "CubeSat" επινοήθηκε για να υποδηλώσει νανο-δορυφόρους που συμμορφώνονται με τα πρότυπα που περιγράφονται στις προδιαγραφές σχεδίασης CubeSat.

Αυτά σχεδιάστηκαν από τον καθηγητή μηχανικής αεροδιαστημικής Jordi Puig-Suari και τον Bob Twiggs, από το Τμήμα Αεροναυτικής & Αστροναυτικής του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ. Από τότε έχει εξελιχθεί σε διεθνή συνεργασία με περισσότερα από 40 ινστιτούτα που αναπτύσσουν νανο-δορυφόρους που περιέχουν επιστημονικά ωφέλιμα φορτία.

Αρχικά, παρά το μικρό τους μέγεθος, τα ακαδημαϊκά ιδρύματα ήταν περιορισμένα καθώς αναγκάστηκαν να περιμένουν, μερικές φορές χρόνια, για μια ευκαιρία έναρξης. Αυτό διορθώθηκε σε κάποιο βαθμό με την ανάπτυξη του Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (αλλιώς γνωστό ως P-POD), από την California Polytechnic. Τα P-POD τοποθετούνται σε ένα όχημα εκτόξευσης και μεταφέρουν CubeSats σε τροχιά και τα αναπτύσσουν μόλις ληφθεί το κατάλληλο σήμα από το όχημα εκτόξευσης.

Ο σκοπός αυτού, σύμφωνα με τον JordiPuig-Suari, ήταν «να μειωθεί ο χρόνος ανάπτυξης του δορυφόρου στο χρονικό πλαίσιο της σταδιοδρομίας ενός φοιτητή πανεπιστημίου και να αξιοποιηθούν οι ευκαιρίες εκτόξευσης με μεγάλο αριθμό δορυφόρων». Εν ολίγοις, τα P-POD διασφαλίζουν ότι πολλά CubeSats μπορούν να ξεκινήσουν ανά πάσα στιγμή.

Αρκετές εταιρείες έχουν κατασκευάσει CubeSats, συμπεριλαμβανομένης της μεγάλης δορυφορικής εταιρείας Boeing. Ωστόσο, η πλειονότητα της ανάπτυξης προέρχεται από τον ακαδημαϊκό χώρο, με ένα μικτό ρεκόρ επιτυχημένων τροχιών CubeSats και αποτυχημένων αποστολών. Από την ίδρυσή τους, το CubeSats έχει χρησιμοποιηθεί για αμέτρητες εφαρμογές.

Για παράδειγμα, έχουν χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη Συστημάτων Αυτόματης Αναγνώρισης (AIS) για την παρακολούθηση θαλάσσιων σκαφών, την ανάπτυξη απομακρυσμένων αισθητήρων της Γης, για τον έλεγχο της μακροπρόθεσμης βιωσιμότητας των διαστημικών αιθουσών, καθώς και για τη διεξαγωγή βιολογικών και ραδιολογικών πειραμάτων.

Μέσα στην ακαδημαϊκή και επιστημονική κοινότητα, αυτά τα αποτελέσματα κοινοποιούνται και οι πόροι διατίθενται μέσω της άμεσης επικοινωνίας με άλλους προγραμματιστές και της παρακολούθησης εργαστηρίων CubeSat. Επιπλέον, το πρόγραμμα CubeSat ωφελεί τις ιδιωτικές εταιρείες και τις κυβερνήσεις παρέχοντας έναν χαμηλού κόστους τρόπο μεταφοράς ωφέλιμων φορτίων στο διάστημα.

Το 2010, η NASA δημιούργησε το "CubeSat Launch Initiative", το οποίο στοχεύει στην παροχή υπηρεσιών εκτόξευσης για εκπαιδευτικά ιδρύματα και μη κερδοσκοπικούς οργανισμούς, ώστε να μπορούν να κάνουν το CubeSats τους στο διάστημα. Το 2015, η NASA ξεκίνησε το Cube Quest Challenge ως μέρος των Centennial Challenges Programs.

Με ένα βραβείο 5 εκατομμυρίων δολαρίων, αυτός ο διαγωνισμός κινήτρων είχε ως στόχο να προωθήσει τη δημιουργία μικρών δορυφόρων ικανών να λειτουργούν πέρα από τη χαμηλή τροχιά της Γης - ειδικά σε σεληνιακή τροχιά ή βαθύ διάστημα. Στο τέλος του διαγωνισμού, θα επιλεγούν έως και τρεις ομάδες για να ξεκινήσουν το σχεδιασμό CubeSat με την αποστολή SLS-EM1 το 2018.

Η αποστολή InSight της NASA (προγραμματισμένη να ξεκινήσει το 2018), θα περιλαμβάνει επίσης δύο CubeSats. Αυτά θα οδηγήσουν σε μια πτήση του Άρη και θα παρέχουν επιπλέον επικοινωνίες ρελέ στη Γη κατά την είσοδο και την προσγείωση του εκφορτωτή.

Οριζόμενο Mars Cube One (MarCO), αυτό το πειραματικό CubeSat μεγέθους 6U θα είναι η πρώτη αποστολή μεγάλου διαστήματος που βασίζεται στην τεχνολογία CubeSat. Θα χρησιμοποιήσει μια κεραία X-band υψηλής απόδοσης, επίπεδης οθόνης για τη μετάδοση δεδομένων στον Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) της NASA - η οποία στη συνέχεια θα τη μεταφέρει στη Γη.

Κάνοντας τα διαστημικά συστήματα μικρότερα και πιο προσιτά είναι ένα από τα χαρακτηριστικά της εποχής της ανανεωμένης εξερεύνησης του διαστήματος. Είναι επίσης ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους η βιομηχανία του NewSpace αναπτύσσεται αλματωδώς τα τελευταία χρόνια. Και με μεγαλύτερα επίπεδα συμμετοχής, βλέπουμε μεγαλύτερες αποδόσεις όσον αφορά την έρευνα, την ανάπτυξη και την εξερεύνηση.

Έχουμε γράψει πολλά άρθρα για το περιοδικό CubeSat για το Space Magazine. Εδώ είναι η Πλανητική Εταιρεία που θα λανσάρει τρία ξεχωριστά ηλιακά πανιά, τα πρώτα διαπλανητικά CubeSats που θα κυκλοφορήσουν στο InSight Mars Lander της NASA 2016, κάνοντας τα CubeSats να κάνουν αστρονομία, τι μπορείτε να κάνετε με ένα Cubesat ;, Αυτά τα Cubesats θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν Plasma Thrusters για να αφήσουν το ηλιακό μας σύστημα.

Αν θέλετε περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το CubeSat, ανατρέξτε στην επίσημη αρχική σελίδα του CubeSat.

Καταγράψαμε ένα επεισόδιο του Cast Astronomy για το Space Shuttle. Ακούστε εδώ, επεισόδιο 127: Το διαστημικό λεωφορείο των ΗΠΑ.

Πηγές: