Az űrkutatás modern korszakának egyik meghatározó jellemzője annak nyitott jellege. A múltban a világűr olyan határ volt, amely csak két szövetségi űrügynökség számára volt elérhető - a NASA és a szovjet űrprogram. Az új technológiák és költségcsökkentő intézkedések megjelenése révén a magánszektor most már képes saját indítási szolgáltatásokat nyújtani.
Ezen felül a tudományos intézmények és a kis országok már képesek felépíteni saját műholdaikat légköri kutatások végzése, a Föld megfigyelése és új űrtechnológiák tesztelése céljából. Ez az úgynevezett CubeSat, egy miniatűr műhold, amely lehetővé teszi a költséghatékony űrkutatást.
Felépítés és kialakítás:
Nanosatellit néven is ismert CubeSats szabványos méretei 10 x 10 x 11 cm (1 U), és kockák alakúak (ebből a névből). Skálázhatóak, olyan verziókban érkeznek, amelyek 1U, 2U, 3U vagy 6U egységet mérnek, és jellemzően kevesebb, mint 1,33 kg (3 font) egy U. A 3U vagy annál nagyobb CubSats a legnagyobb, három egymásra rakott egységből állnak. hosszirányban, mindegyiket körülvevő hengerrel.
Az elmúlt években nagyobb CubeSat platformokat javasoltak, amelyek tartalmaznak egy 12U modellt (20 x 20 x 30 cm vagy 24 x 24 x 36 cm), amely kibővíti a CubeSats képességeit az akadémiai kutatásokon és az új technológiák tesztelésén túl, összetettebb tudomány bevonásával és nemzetvédelmi célok.
A műholdak miniatürizálásának fő oka a telepítés költségeinek csökkentése és azért, mert azokat a hordozóeszközök túlzott kapacitásánál lehet telepíteni. Ez csökkenti a küldetésekkel járó kockázatokat, amikor a kiegészítő rakományt vissza kell szállítani az indítóhoz, és lehetővé teszi a rakomány rövid idejű megváltoztatását is.
Előállíthatók kereskedelemben kapható (COTS) elektronikai alkatrészekkel is, amelyek viszonylag könnyen elkészíthetők. Mivel a CubeSats küldetéseket gyakran nagyon alacsony földi pályákra (LEO) hajtják végre, és néhány nap vagy hét elteltével a légköri visszatérés tapasztalható, a sugárzást nagyrészt figyelmen kívül lehet hagyni, és szokásos fogyasztói minőségű elektronikát lehet használni.
A CubeSats négy speciális típusú alumíniumötvözetből készül, hogy biztosítsák ugyanazt a hőtágulási együtthatót, mint a hordozórakétán. A műholdakat védő oxidréteggel is bevonják minden olyan felület mentén, amely érintkezésbe kerül az indító járművel, megakadályozva, hogy extrém stressz hatására hidegen hegesszék őket a helyükre.
Alkatrészek:
A CubeSats gyakran több fedélzeti számítógépet hordoz a kutatás elvégzése céljából, valamint a hozzáállás vezérléséhez, a nyomógombokhoz és a kommunikációhoz. Általában más fedélzeti számítógépeket is beépítenek annak biztosítása érdekében, hogy a fő számítógépet ne terheljék több adatfolyam, hanem az összes többi fedélzeti számítógépnek képesnek kell lennie arra, hogy kapcsolatba lépjen vele.
Általában az elsődleges számítógép felel a feladatok más számítógépekre történő delegálásáért - például a hozzáállás ellenőrzése, az orbitális manőverek kiszámítása és az ütemezési feladatok. Ennek ellenére az elsődleges számítógépet fel lehet használni a terheléssel kapcsolatos feladatokhoz, például a képfeldolgozáshoz, az adatok elemzéséhez és az adatok tömörítéséhez.
A miniatürizált alkatrészek beállítási irányítást biztosítanak, általában reakciókerekekből, mágneses igényekből, tolóerőből, csillag nyomkövetőből, nap- és földérzékelőkből, szögsebesség-érzékelőkből, valamint GPS-vevőkből és antennákból. E rendszerek nagy részét gyakran kombinációban használják a hiányosságok pótlására és a redundancia szintjének biztosítására.
A nap- és csillagérzékelők iránymutatást mutatnak, míg a Föld és annak horizontja érzékelése elengedhetetlen a Föld és a légköri vizsgálatok elvégzéséhez. A napérzékelők szintén hasznosak annak biztosításában, hogy a CubsSat maximalizálja a napenergiához való hozzáférést, amely a CubeSat tápellátásának elsődleges eszköze - ahol a napelemeket beépítik a műholdak külső házába.
Eközben a meghajtás számos formában létezik, amelyek mindegyike miniatürizált tolóerőkkel jár, amelyek kis mennyiségű specifikus impulzust szolgáltatnak. A műholdakat a Nap, a Föld és a visszatükröződő napfény sugárzó fűtésnek is kitéve, nem is beszélve az alkotóelemeik által generált hőről.
Mint ilyen, a CubeSat hőszigetelő rétegekkel és melegítőkkel is rendelkezik, amelyek biztosítják, hogy alkotóelemeik ne lépjék túl a hőmérsékleti tartományukat, és hogy a fölösleges hő elnyelhető legyen. Hőmérséklet-érzékelőket gyakran alkalmaznak a veszélyes hőmérsékleti emelkedés vagy esés figyelésére.
A kommunikációhoz a CubeSat támaszkodhat az antennákra, amelyek működnek a VHF, UHF vagy L-, S-, C- és X-sávokban. Ezek a CubeSat kis mérete és korlátozott kapacitása miatt általában 2W teljesítményre korlátozódnak. Lehetnek spirális, dipólusos vagy egyirányú monopólantennák, bár sokkal kifinomultabb modellek fejlesztése alatt állnak.
Meghajtás:
A CubeSats a meghajtás sokféle módszerére támaszkodik, ami viszont számos technológia fejlődéséhez vezetett. A leggyakoribb módszerek a hideggáz, a vegyi, az elektromos meghajtás és a napvitorlák. A hideggáz-tolóerő inert gázra (például nitrogénre) támaszkodik, amelyet egy tartályban tárolnak és egy fúvókán keresztül engednek szabadon a tolóerő létrehozására.
A meghajtási módszerek használatakor ez a legegyszerűbb és leghasznosabb rendszer, amelyet a CubeSat használhat. Ez is az egyik legbiztonságosabb, mivel a legtöbb hideg gáz nem illékony és nem korrozív. Ennek ellenére korlátozott teljesítményűek, és nem tudnak nagy impulzusú manővereket elérni. Ezért használják őket általában a hozzáállás-ellenőrző rendszerekben, és nem fő tolóerőként.
A kémiai meghajtórendszerek kémiai reakciókon alapulnak, amikor nagynyomású, magas hőmérsékletű gázt állítanak elő, amelyet egy fúvókán keresztül vezetnek, hogy tolóerőt hozzon létre. Lehetnek folyékony, szilárd vagy hibrid vegyületek, és általában a vegyi anyagok katalizátorokkal vagy oxidálószerekkel kombinált kombinációjára vezethetők vissza. Ezek a tolókarok egyszerűek (és ezért könnyen kiszerelhetők), alacsony energiaigényűek és nagyon megbízhatóak.
Az elektromos meghajtás az elektromos energián alapszik, hogy a töltött részecskéket nagy sebességre gyorsítsa fel - más néven. Hall-effektusok, ion tolóerők, pulzáló plazma tolóerők stb. Ez a módszer előnyös, mivel egyesíti a nagy fajlagos impulzust a nagy hatékonysággal, és az alkatrészek könnyen miniatürizálhatók. Hátránya, hogy kiegészítő energiát igényelnek, ami vagy nagyobb napelemeket, nagyobb akkumulátorokat és összetettebb energiarendszereket jelent.
A napelemes vitorlákat a meghajtás módszereként is használják, ami akkor jótékony, mert nem igényel hajtóanyagot. A napelemes vitorlákat a CubSat saját méreteihez is méretezhetjük, és a műholdas kis tömege az adott napelemes vitorla területének nagyobb gyorsulását eredményezi.
A napelemes vitorláknak azonban továbbra is meglehetősen nagynak kell lenniük a műholdashoz képest, ami a mechanikus bonyolultságot a potenciális meghibásodás további forrásává teszi. Ebben az időben kevés CubeSats alkalmazott napelemes vitorlát, ám ez továbbra is a fejlődés területe, mivel ez az egyetlen módszer, amelyhez nincs szükség hajtóanyagra, vagy veszélyes anyagokkal jár.
Mivel a tolókarok miniatürizálódtak, számos technikai kihívást és korlátozást jelentenek. Például a tolóerő-vektorizálás (azaz a karosszériatartók) nem lehetséges kisebb tolóerő esetén. Mint ilyen, a vektorizálást inkább több fúvóka használatával kell elérni, amelyek aszimmetrikusan tolódnak el, vagy működtetett alkatrészekkel, a tömegközéppont megváltoztatásához a CubeSat geometriájához viszonyítva.
Történelem:
1999-től a kaliforniai Politechnikai Állami Egyetem és a Stanfordi Egyetem kidolgozta a CubeSat előírásokat, hogy segítse az egyetemeket világszerte az űrtudomány és a feltárás elvégzésében. A „CubeSat” kifejezés olyan nano-műholdak jelölésére szolgál, amelyek megfelelnek a CubeSat tervezési specifikációjában leírt szabványoknak.
Ezeket Jordi Puig-Suari repülőgépmérnöki professzor és Bob Twiggs dolgozta ki a Stanfordi Egyetem Repülési és Űrhajózási Tanszékéből. Azóta több mint 40 olyan intézet nemzetközi partnerséggé vált, amely tudományos hasznos teherrel rendelkező nano-műholdakat fejleszt.
Kezdetben, kicsi méretük ellenére, az akadémiai intézmények korlátozottak voltak abban, hogy kénytelenek voltak, néha évekig várni az indulási lehetőséget. Ezt bizonyos mértékben orvosolta a Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (más néven P-POD) kifejlesztése, amelyet a Kaliforniai Politechnika készített. A P-POD-kat egy indítójárműre szerelik, és a CubeSat-ot pályára szállítják, és telepítik őket, amint a megfelelő jel megérkezik a hordozórakétából.
JordiPuig-Suari szerint ennek célja „a műholdas fejlesztési idő csökkentése a főiskolai hallgató karrierjének időkeretére, és nagy számú műholdas felhasználásával kihasználni az indítási lehetőségeket”. Röviden: a P-POD-k biztosítják, hogy sok CubeSat bármikor elindítható legyen.
Számos vállalat épített CubeSat-ot, köztük a nagy műholdas gyártó Boeing-et is. A fejlõdés nagy részét azonban az akadémia látja el, a vegyesen felvetett CubeSats keringõ és sikertelen küldetések eredményeivel. Létrehozása óta a CubeSat-ot számtalan alkalmazáshoz használták.
Például felhasználták az automatikus azonosító rendszerek (AIS) telepítésére a tengeri hajók megfigyelésére, a Föld távoli érzékelőinek telepítésére, az űrkötők hosszú távú életképességének tesztelésére, valamint biológiai és radiológiai kísérletek elvégzésére.
A tudományos és tudományos közösségen belül ezeket az eredményeket megosztják, és az erőforrásokat elérhetővé teszik más fejlesztőkkel való közvetlen kommunikáció és a CubeSat műhelyében való részvétel során. Ezenkívül a CubeSat program a magánvállalkozások és a kormányok számára is előnyös, mivel olcsó módon nyújtja a rakományok űrben történő repülését.
2010-ben a NASA létrehozta a „CubeSat Launch Initiative” elnevezésű programot, amelynek célja, hogy indítási szolgáltatásokat nyújtson oktatási intézményeknek és nonprofit szervezeteknek, hogy azok eljuthassanak a CubeSat-k űrbe. A NASA 2015-ben kezdeményezte a Cube Quest Challenge programját a Centennial Challenges Program részeként.
Az ösztöndíj-verseny 5 millió dolláros pénztárca mellett olyan kicsi műholdak létrehozását kívánta elősegíteni, amelyek képesek az alacsony földi pályán túl is működni - különösen holdi pályán vagy mély űrben. A verseny végén legfeljebb három csapat kerül kiválasztásra, akik 2018-ban elindítják a CubeSat kialakítását az SLS-EM1 küldetés fedélzetén.
A NASA InSight leszállási missziója (a tervek szerint 2018-ban indulnak) két CubeSat-ot is tartalmaz. Ezek vezetik a Mars repülõképességét, és további relékommunikációt biztosítanak a Föld felé a leszállóhely be- és leszállásakor.
A Mars Cube One (MarCO) kinevezésű, ez a kísérleti 6U méretű CubeSat lesz az első mélyre ható küldetés, amely a CubeSat technológiára támaszkodik. Nagy nyereségű, síkképernyős X-sávú antennát fog használni az adatok továbbítására a NASA Mars Reconnaissance Orbiteréhez (MRO) - ezután továbbítja azt a Földre.
Az űrrendszerek csökkentése és megfizethetőbbé tétele a megújult űrkutatás korszakának egyik jellemzője. Ez az egyik fő oka annak, hogy a NewSpace ipar az utóbbi években ugrásszerűen növekedett. A nagyobb részvétel mellett nagyobb megtérülést tapasztalunk a kutatás, fejlesztés és feltárás terén.
Sok cikket írtunk a CubeSat for Space Magazine-ról. A Bolygók Társasága három különálló napvédő vitorlát indít, az első bolygóközi CubeSats-t, amely a NASA 2016. évi InSight Mars Lander-jén indul, készítve a CubeSatsnek csillagászatot: Mit lehet csinálni egy Cubesat-nal?
Ha további információt szeretne a CubeSat-ról, nézd meg a CubeSat hivatalos honlapját.
Felvettünk egy epizódot a Csillagászatról, amely az űrhajóról szól. Hallgassa meg itt: 127. rész: Az amerikai űrsikló.
Forrás:
- NASA - CubeSats
- Wikipedia - CubeSat
- CubeSat - Rólunk
- CubeSatkit
