VAD äR CUBESATS?

Send

En av de avgörande kännetecknen för den moderna eran för utforskning av rymden är den öppna naturen. Tidigare var rymden en gräns som endast var tillgänglig för två federala rymdbyråer - NASA och det sovjetiska rymdprogrammet. Men tack vare uppkomsten av ny teknik och kostnadsbesparande åtgärder kan den privata sektorn nu tillhandahålla sina egna lanseringstjänster.

Dessutom kan akademiska institutioner och små länder nu bygga sina egna satelliter i syfte att bedriva atmosfärisk forskning, göra observationer av jorden och testa ny rymdteknologi. Det är vad som kallas CubeSat, en miniatyriserad satellit som möjliggör kostnadseffektiv rymdforskning.

Struktur och design:

Också känd som nanosatelliter, CubeSats är byggda i standardmått på 10 x 10 x 11 cm (1 U) och är formade som kuber (därav namnet). De är skalbara och kommer i versioner som mäter 1U, 2Us, 3Us eller 6Us på en sida och väger vanligtvis mindre än 1,33 kg (3 lbs) per U. CubSats på 3Us eller mer är de största och består av tre enheter staplade i längdriktningen med en cylinder som omsluter alla.

På senare år har större CubeSat-plattformar föreslagits, som inkluderar en 12U-modell (20 x 20 x 30 cm eller 24 x 24 x 36 cm), som skulle förlänga CubeSats kapacitet utöver akademisk forskning och testa ny teknik, med mer komplex vetenskap och nationella försvarsmål.

Det främsta skälet för att miniatyrisera satelliter är att sänka kostnaden för installation och för att de kan distribueras i överskottskapacitet för ett startbil. Detta minskar riskerna i samband med uppdrag där ytterligare last måste sparas tillbaka till utskottet och också möjliggör laständringar på kort varsel.

De kan också tillverkas med kommersiella elektroniska komponenter (COTS), vilket gör dem jämförbara enkla att skapa. Eftersom CubeSats-uppdrag ofta görs till mycket låga jordbanor (LEO) och upplever atmosfärisk återinträde efter bara dagar eller veckor, kan strålning i stor utsträckning ignoreras och standardelektronik för konsumentkvalitet kan användas.

CubeSats är byggd av fyra specifika typer av aluminiumlegering för att säkerställa att de har samma värmeutvidgningskoefficient som lanseringsfordonet. Satelliterna är också belagda med ett skyddande oxidskikt längs vilken yta som kommer i kontakt med lanseringsfordonet för att förhindra att de kallsvetsas på plats av extrem belastning.

Komponenter:

CubeSats bär ofta flera omborddatorer för att utföra forskning, och tillhandahåller också attitydkontroll, thrusterar och kommunikation. Vanligtvis inkluderas andra omborddatorer för att säkerställa att huvuddatorn inte är överbelastad av flera dataströmmar, men alla andra omborddatorer måste kunna gränssnittas med den.

Vanligtvis är en primär dator ansvarig för att delegera uppgifter till andra datorer - till exempel attitydkontroll, beräkningar för omloppsmanöver och schemaläggningsuppgifter. Den primära datorn kan fortfarande användas för nyttolastrelaterade uppgifter, t.ex. bildbehandling, dataanalys och datakomprimering.

Miniatyriserade komponenter tillhandahåller attitydskontroll, vanligtvis bestående av reaktionshjul, magnetorquers, thrusterar, stjärnspårare, sol- och jordsensorer, vinkelfrekvenssensorer och GPS-mottagare och antenner. Många av dessa system används ofta i kombination för att kompensera för brister och för att ge nivåer av redundans.

Sol- och stjärnsensorer används för att ge riktningsriktning, medan avkänning av jorden och dess horisont är avgörande för att utföra jorden och atmosfäriska studier. Solavkännare är också användbara för att säkerställa att CubsSat kan maximera sin tillgång till solenergi, som är det främsta sättet att driva en CubeSat - där solpaneler är integrerade i satellitens yttre hölje.

Samtidigt kan framdrivningen komma i ett antal former, som alla involverar miniatyriserade tryckkrafter som ger små mängder av specifik impuls. Satelliter utsätts också för strålningsuppvärmning från solen, jorden och reflekterat solljus, för att inte tala om värmen som genereras av deras komponenter.

Som sådant kommer CubeSat's också med isoleringslager och värmare för att säkerställa att deras komponenter inte överskrider deras temperaturintervall och att överskottsvärme kan spridas. Temperaturgivare ingår ofta för att övervaka för farliga temperaturökningar eller -minskningar.

För kommunikation kan CubeSat's lita på antenner som fungerar i VHF, UHF eller L-, S-, C- och X-band. Dessa är mestadels begränsade till 2W effekt på grund av CubeSats lilla storlek och begränsade kapacitet. De kan vara spiral-, dipol- eller monodirektionsmonopolantenner, men mer sofistikerade modeller utvecklas.

Drivning:

CubeSats förlitar sig på många olika framdrivningsmetoder, vilket i sin tur har lett till framsteg inom många tekniker. De vanligaste metoderna inkluderar kallgas, kemisk, elektrisk framdrivning och solseglar. En kall gastryckare förlitar sig på inert gas (som kväve) som lagras i en tank och släpps genom ett munstycke för att generera drivkraft.

När framdrivningsmetoderna går är det det enklaste och mest användbara systemet som CubeSat kan använda. Det är också en av de säkraste eftersom de flesta kalla gaser varken är flyktiga eller frätande. De har dock begränsad prestanda och kan inte uppnå höga impulsmanövrar. Därför används de vanligtvis i attitydkontrollsystem och inte som huvudstubber.

Kemiska framdrivningssystem förlitar sig på kemiska reaktioner för att producera högtrycksgas med hög temperatur som sedan riktas genom ett munstycke för att skapa tryck. De kan vara flytande, fasta eller en hybrid, och brukar komma till kombinationen av kemikalier i kombination med en katalysator eller ett oxidationsmedel. Dessa thrusterar är enkla (och kan därför miniatyriseras enkelt), har låga effektbehov och är mycket pålitliga.

Elektrisk framdrivning förlitar sig på elektrisk energi för att påskynda laddade partiklar till höga hastigheter - aka. Hall-effekt thrustrar, jon thrusters, pulsade plasma thrusters, etc. Denna metod är fördelaktig eftersom den kombinerar hög specifik impuls med hög effektivitet, och komponenterna kan lätt miniatyriseras. En nackdel är att de kräver ytterligare kraft, vilket betyder antingen större solceller, större batterier och mer komplexa kraftsystem.

Solseglar används också som en metod för framdrivning, vilket är fördelaktigt eftersom det inte kräver drivmedel. Solseglar kan också skalas till CubSats egna dimensioner, och satellitens lilla massa resulterar i en större acceleration för ett visst solseglers område.

Men solseglarna måste fortfarande vara ganska stora jämfört med satelliten, vilket gör mekanisk komplexitet till en extra källa till potentiellt misslyckande. För närvarande har få CubeSats använt ett solsegel, men det är fortfarande ett område med potentiell utveckling eftersom det är den enda metoden som inte behöver något drivmedel eller involverar farliga material.

Eftersom thrusterarna är miniatyriserade skapar de flera tekniska utmaningar och begränsningar. Exempelvis är tryckvektorering (dvs. gimbals) omöjligt med mindre thrusterar. Som sådan måste vektorering istället uppnås genom att använda flera munstycken för att driva asymmetriskt eller använda manövrerade komponenter för att ändra masscentrum relativt CubeSats geometri.

Historia:

Från 1999 utvecklade California Polytechnic State University och Stanford University CubeSat-specifikationerna för att hjälpa universitet över hela världen att utföra rymdvetenskap och utforskning. Termen "CubeSat" myntades för att beteckna nanosatelliter som följer de standarder som beskrivs i CubeSat-konstruktionsspecifikationerna.

Dessa fastställdes av professor i flyg- och rymdteknik Jordi Puig-Suari och Bob Twiggs, från Institutionen för flyg- och astronautik vid Stanford University. Det har sedan dess vuxit till att bli ett internationellt partnerskap mellan över 40 institut som utvecklar nanosatelliter som innehåller vetenskaplig nyttolast.

Ursprungligen, trots deras lilla storlek, var akademiska institutioner begränsade genom att de tvingades vänta, ibland år, på en lanseringsmöjlighet. Detta åtgärdades till viss del av utvecklingen av Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (annars känd som P-POD) av California Polytechnic. P-POD: er monteras på ett lanseringsfordon och bär CubeSats i bana och distribuerar dem när rätt signal har tagits emot från lanseringsfordonet.

Syftet med detta, enligt JordiPuig-Suari, var "att reducera satellitutvecklingstiden till tidsramen för en högskolestudents karriär och utnyttja lanseringsmöjligheter med ett stort antal satelliter." Kort sagt, P-PODs säkerställer att många CubeSats kan lanseras när som helst.

Flera företag har byggt CubeSats, inklusive Boeing med stora satellitproducenter. Emellertid kommer huvuddelen av utvecklingen från akademia, med en blandad rekord av framgångsrika kretslopp CubeSats och misslyckade uppdrag. Sedan starten har CubeSats använts för otaliga applikationer.

Till exempel har de använts för att distribuera automatiska identifieringssystem (AIS) för att övervaka marina fartyg, distribuera jordens fjärrsensorer, för att testa den långsiktiga livskraften för rymdtätare, samt att utföra biologiska och radiologiska experiment.

Inom det akademiska och vetenskapliga samfundet delas dessa resultat och resurser görs tillgängliga genom att kommunicera direkt med andra utvecklare och delta i CubeSat-workshops. Dessutom gynnar CubeSat-programmet privata företag och regeringar genom att tillhandahålla ett billigt sätt att flyga nyttolast i rymden.

2010 skapade NASA "CubeSat Launch Initiative", som syftar till att tillhandahålla lanseringstjänster för utbildningsinstitutioner och ideella organisationer så att de kan få sina CubeSats ut i rymden. 2015 inledde NASA sin Cube Quest Challenge som en del av deras Centennial Challenges-program.

Med en prissumma på 5 miljoner dollar syftade denna incitament-tävling till att främja skapandet av små satelliter som kan fungera bortom låg jordbana - speciellt i månbana eller djupa rymden. I slutet av tävlingen kommer upp till tre lag att väljas ut för att lansera sin CubeSat-design ombord på SLS-EM1-uppdraget 2018.

NASA: s InSight landeruppdrag (planerat att lanseras 2018) kommer också att innehålla två CubeSats. Dessa kommer att genomföra en flyby av Mars och ge ytterligare reläkommunikation till Jorden under landarens inresa och landning.

Designated Mars Cube One (MarCO), denna experimentella 6U-storlek CubeSat kommer att vara det första djup-rymduppdraget att lita på CubeSat-tekniken. Den kommer att använda en högvinst, platt-paneld X-band-antenn för att överföra data till NASA: s Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) - som sedan överför den till Jorden.

Att göra rymdsystem mindre och mer prisvärda är ett av kännetecknen för eran med utforskning av förnyade rymden. Det är också en av de främsta orsakerna till att NewSpace-industrin har vuxit snabbt under de senaste åren. Och med större nivåer av deltagande ser vi större avkastning när det gäller forskning, utveckling och utforskning.

Vi har skrivit många artiklar om CubeSat för Space Magazine. Här är Planet Society för att lansera tre separata solseglar, första interplanetary CubeSats för att lansera på NASAs InSight Mars Lander 2016, få CubeSats att göra astronomi, vad kan du göra med en cubesat? Dessa kubbatsatser kan använda plasmastrustare för att lämna vårt solsystem.

Om du vill ha mer information om CubeSat, kolla in CubeSats officiella hemsida.

Vi har spelat in ett avsnitt av Astronomy Cast som handlar om rymdfärjan. Lyssna här, avsnitt 127: US Space Shuttle.

källor: