Alai

Vše, co žádám, je úspěšný start, čistý rádiový signál a životnost dostatečně dlouhá na to, abyste tohoto cíle dosáhli.

Pokud vám výškové balóny prostě nestačí, pokud se cítíte frustrováni tempem vývoje vesmíru nebo pokud máte prostě jen opravdu, opravdu rádi rakety a hardware, myslím, že vypuštění vlastní družice je vynikající rozhodnutí. Ale nejprve se zeptejte, co chcete, aby vaše družice dělala? Zde je 7 klíčových věcí, které byste měli vědět, než vypustíte svou osobní kosmickou loď na oběžnou dráhu rychlostí 17 000 mil za hodinu.

Co je to pikosatelit?

Pikosatelity jsou podle definice extrémně malé a lehké družice. Každý pikosatelit má obvykle tyto základní součásti:

• Anténu
• Rádiový vysílač pro odesílání příkazů nebo stahování dat
• Počítač na čipu, jako je Arduino nebo Basic-X24
• Napájecí systém, nejčastěji solární články plus baterie plus napájecí sběrnice
• Senzory

Předchůdcem třídy pico je CubeSat, architektura s otevřeným zdrojovým kódem, která umožňuje do krychle o rozměrech 10 cm × 10 cm × 10 cm nacpat cokoli chcete.

CubeSat je satelit roztomilý jako dýně. Forbes informoval o jednom dodavateli, společnosti Pumpkin Inc, který dodává předpřipravené CubeSaty. Samotný CubeSat je specifikace, nikoli hotový hardware, a tak se Pumpkin rozhodl předpřipravit stavebnice a prodávat je. Pokud máte vlastní raketu, na které chcete svůj CubeSat vypustit, za 7 500 dolarů vám prodají sadu CubeSat.

Toto přesně kopíruje TubeSat společnosti InterOrbital Systems. InterOrbital Systems (IOS) má výhodu v poměru cena/výkon, protože za stejnou cenu nabízí i start. Ale vypadá to, že ani IOS, ani Pumpkin neposkytují premades, pouze kity. Stále se tedy jedná o amatérskou práci, ale stavebnice odstraňují potřebu inženýrství a ponechávají jen zábavnou část montáže a integrace.

TubeSaty a CubeSaty se samozřejmě mírně liší a já jsem šíleně rád, že oba rozvíjejí myšlenku plošinových stavebnic. Je to skvělý krok v komodifikaci kosmického výzkumu. I když miniaturní CubeSat vypadá až děsivě podobně jako krabice Hellraiser Lemarchand.

Kolik stojí vypuštění?

Pokud postavíte CubeSat, zajistit raketu pro jeho vypuštění není obtížné, pouze drahé. Typické náklady na vypuštění CubeSatu se odhadují na 40 000 dolarů. Existuje několik komerčních poskytovatelů, kteří slibují budoucí rakety CubeSat za předpokladu, že dokončí vývoj. Různé projekty NASA a Mezinárodní vesmírné stanice přijímají některé návrhy využívající architekturu CubeSat. Každoročně přibývá společností, které se zabývají soukromými starty, takže vyhlídky na získání startu jsou stále solidnější.

Alternativním schématem je architektura TubeSat od společnosti InterOrbital Systems. V současné době ji podporuje pouze společnost InterOrbital a je velmi cenově výhodná. Za jednotnou cenu 8 000 USD získáte schéma, hlavní hardwarové komponenty a start na jejich stále vyvíjené raketě. TubeSat používá o něco delší šestiúhelníkovou architekturu o délce 12 cm a průměru 4 cm.

Můžete také pracovat s vlastní architekturou, pokud máte přístup ke startu rakety (třeba prostřednictvím vysoké školy nebo univerzity), ale v současné době jsou hlavními dvěma hráči otevřená specifikace CubeSat a soukromá alternativa TubeSat.

Kde je oběžná dráha?

Kam poletí váš pikosatelit? Je téměř jisté, že váš pikosatelit poletí na nízkou oběžnou dráhu Země (LEO), což je široké pásmo od zhruba 150 km do možná 600 km. V této oblasti se nachází také mnoho vědeckých družic a Mezinárodní vesmírná stanice (ISS). Nachází se v ionosféře a pod ní, což je velmi, velmi tenká část atmosféry, která se také shoduje s velkou částí magnetického pole Země.

Magnetické pole Země nás chrání před nejprudší aktivitou Slunce. Vysokoenergetické částice, vzplanutí a výrony koronální hmoty (CME; v podstatě kapky sluneční hmoty) jsou magnetickým polem odkloněny dříve, než se dostanou na zem. Tam, kde se magnetické siločáry v blízkosti pólů ponoří, se tato energie projeví jako polární záře.

Více než ionosféra může být kosmické prostředí kvůli sluneční aktivitě nepřátelské. Pod ní je radiační riziko mnohem nižší. To je důvod, proč se ISS nachází na LEO. LEO je v podstatě tak bezpečná, jak jen vesmír může být. Je to také místo, kde bude pravděpodobně žít váš pikosatelit.

Běžná oběžná dráha LEO má periodu asi 90 minut. To znamená, že se otočí kolem Země jednou za 90 minut a vykoná asi 15 oběhů za den. Oběžné dráhy mohou být umístěny v blízkosti zemského rovníku (rovníkové dráhy) nebo obíhat od severního k jižnímu pólu (polární dráhy). Stejně tak mohou být oběžné dráhy téměř kruhové nebo vysoce excentrické – na jednom konci dráhy se přibližují k Zemi a na druhém se od ní vzdalují.

Jak dlouho vydrží můj satelit?

Vaše oběžná dráha je zcela závislá na tom, co vám prodal váš dodavatel raket. Na hobby úrovni s největší pravděpodobností dostanete standardní téměř kruhovou oběžnou dráhu o výšce asi 250 km, a to buď rovníkovou, nebo polární. Taková oběžná dráha trvá (kvůli odporu slabé ionosféry) 3 až 16 týdnů, než družice utrpí ohnivý návrat.

Při hmotnostech pikosatelitů to znamená, že vaše družice vzlétne a nevrátí se. Na shromáždění dat máte méně než tři měsíce. Pikosatelit se pak při návratu v podstatě elegantně vypaří (žádné riziko kosmického smetí!)

Jaké je tam nahoře počasí?

Podmínky a životaschopnost LEO

Ionosféra se tak nazývá proto, že se jedná o velmi řídké plazma elektricky nabitých atomů (iontů) a elektronů, a to díky ultrafialovému (UV) záření ze Slunce. Technicky se rozprostírá od zhruba 50 km do více než 1 000 km (díky Wikipedii!), ale LEO začíná ve výšce 150 km – pod touto hranicí nelze udržet stabilní oběžnou dráhu. Ionosféra, jak již bylo zmíněno, je řízena sluneční aktivitou. Část přivrácená ke Slunci má větší ionizaci; také sluneční aktivita může silně řídit její chování. Dochází také k poklesům magnetické siločáry, což vede ke zvýšení radiace v nižších výškách. Zmínili jsme se o pólech a oblasti, jako je jihoatlantická anomálie (SAA), mají také siločáry pole, které se ponořují níže.

Pokud vysíláte senzory nahoru, budete chtít zajistit několik věcí:

• Mají úroveň citlivosti odpovídající úrovni signálu, který se snažíte měřit.
• Mají dynamický rozsah, který vám umožní získat smysluplná data.

Teploty na LEO

Kovová deska na LEO bude kolísat od -170 °C do 123 °C v závislosti na její sluneční straně a době pobytu na slunci. Pokud se váš pikosatelit otáčí, rozložení tepla se tím trochu vyrovná, ale s tímto rozsahem je třeba počítat. Oběžná dráha má přibližně polovinu času na slunečním světle a druhou polovinu ve stínu Země, takže chování teploty stojí za modelování.

Protože pikosatelit rotuje, je tento rozsah naštěstí menší (protože teplo má čas se rozložit a rozptýlit) a při 90minutové oběžné dráze byste měli projít třemi rozsahy: příliš chladno na registraci; přechodné oblasti, kde senzor vrací platné, pomalu se měnící údaje; a případně přesycení na horním konci. V případě potřeby můžete přidat ohřívač – družice používaly ohřívače a chladiče v závislosti na přístroji a obložení.

Proto bude stačit tepelný senzor (například senzor značky microDig Hot), který pokrývá teploty od -40 °C do 100 °C. Rozsah -40 °C až 100 °C je oblast, kterou je možné měřit. V každém případě za tímto rozsahem může mít zbytek elektroniky družice problémy.

Světlo LEO

Podobně senzor detekující světlo, pro rotující pikosatelit, pravděpodobně vrátí pouze binární signál: superjasné Slunce v dohledu a Slunce mimo dohled. Takže jediné, co bude měřit, je čas, kdy je Slunce na dohled. Funkce světelných senzorů bude převážně binární, aby zachytily cykly Slunce-tma při otáčení, stejně jako celkový denní/noční cyklus na oběžné dráze. Pokud bude mít družice mírný pád, tím lépe. Tato světelná čidla budou poskytovat základní údaje o poloze družice a jejím otáčení. Pokud chcete měřit skutečnou úroveň světla, bude muset vaše konstrukce zajistit, aby Slunce váš detektor nenasytilo.

Magnetické pole LEO

Ionosféra má intenzitu pole v řádu 0,3-0,6 gaussů s kolísáním 5 %. U polární dráhy budete mít větší variabilitu a vyšší magnetické pole než u rovníkové dráhy (protože magnetické siločáry Země se v blízkosti pólů ponořují, proto polární záře). Pokud chcete měřit fluktuaci, nikoli intenzitu pole, musíte zachytit signály 0,06-0,1 gaussu. Snímač s Hallovým jevem za 10 dolarů a optický zesilovač mohou měřit výkyvy až do 0,06 gaussů, pokud neexistuje velké vnější magnetické pole. Pod touto hodnotou bude pravděpodobně limitujícím faktorem šum z obvodů vašeho senzoru, nikoliv senzor.

Co poškození částicemi (zářením)?

Životnost mise je krátká (méně než tři měsíce), takže se nemusíte obávat kumulativního poškození. Už ve škole jsem dělal modely radiačního poškození a ukázalo se, že moderní elektronika je v krátkém časovém měřítku překvapivě odolná. Primárně se budete setkávat s poruchami způsobenými jednotlivými událostmi (SEP), které zakódují senzor nebo počítač, ale protože pravděpodobně nepotřebujete 100% provozuschopnost, neměl by to být problém. Ve skutečnosti závady dodají vašim odvozeným datům zajímavý charakter. Pokud se setkáte například se sluneční bouří, bude zajímavé sledovat, jak se s ní senzory vypořádají, ať už s nasycením, nebo s falešnými signály. Proporcionální čítač nebo jeho ersatz ekvivalent (například microDig Reach) může tyto počty částic měřit.

A nakonec to nejdůležitější, co je třeba vědět:

Co je mým posláním?

Prostě co sakra chcete, aby váš pikosatelit dělal? Typické volby pikosatelitů můžete přehledně rozdělit na vědecké mise, technické mise a umělecká díla. Vědecké užitečné zatížení měří věci. Inženýrské užitečné zatížení testuje hardware nebo software. Umělecký projekt instancuje vysokou koncepci. Navštívíme každý z nich.

Vědecká mise!

Vědecká mise bude váš pikosatelit něco měřit. Věda je ve své podstatě o měření. Existují tři typy misí, které můžete provádět: zaměřovací, in-situ a inženýrské stavby.

Zaměřovací mise je jako teleskop. Váš pikosatelit míří na objekt zájmu – Slunce, Měsíc, hvězdy, pozadí oblohy nebo Zemi – a pozoruje ho. Všimněte si, že ukazování na Zemi vyžaduje licenci – není těžké ji získat, ale soukromí je v hobby prostoru chráněno.

Můžete ukazovat náhodně, ale to se nezdá být příliš užitečné. Můžete nastavit režim průzkumu, kdy je pikosatelitu na oběžné dráze přidělena určitá orientace, takže při každém oběhu prochází oblohu předvídatelným způsobem. Nebo můžete provést aktivní směrování, kdy se pikosatelit podívá tam, kam chcete.

Aktivní směrování je poměrně náročné. Musíte znát svou polohu velmi přesně. Použití inerciálních referencí – znalost počáteční dráhy plus interní předpověď toho, jak se družice pohybuje – je pro účely senzorového zaměřování nepřesné. Proto zaměřování obvykle vyžaduje nějaký druh hvězdných sledovačů. Jedná se o dva nebo více širokoúhlých dalekohledů, které snímají oblohu a porovnávají ji s palubním katalogem známých jasných referenčních hvězd.

Sledování hvězd je technicky složité a pravděpodobně přesahuje hmotnostní a konstrukční omezení typického pikosatelitu. Více o tom však najdete v části „Technika!“ níže.

Běžnějším vědeckým využitím pikosatelitů jsou měření in-situ. Jedná se o použití senzorů, které měří oblast, v níž se družice nachází, aniž by vyžadovaly nasměrování. Teploměr je dokonalým příkladem in-situ detektoru. Měří teplotu a nepotřebujete ho přesně nasměrovat, abyste věděli, že funguje.

Další in-situ měření z LEO mohou zahrnovat elektrické a magnetické pole v ionosféře, světlo ze Slunce nebo odraženou záři Země, měření hustoty ionosféry nebo sledování kinematiky dráhy a polohy (jak se pohybujete).

Nebo možná nechcete něco vědecky měřit, chcete jen stavět věci. To je inženýrství.

Inženýrství!“

Inženýrský pikosatelit slouží jako platforma k vyzkoušení některých nových koncepcí vesmírného hardwaru nebo k tomu, abyste si procvičili stavbu vlastních variant známého vesmírného hardwaru.

Pikosatelit můžete vyrobit k vyzkoušení libovolné hardwarové komponenty. Nový systém napájení, nová metoda určování polohy, nový typ rádiové nebo reléové komunikace, nové senzory – skutečně lze postavit a vylepšit jakoukoli součást družice.

Některé projekty pikosatelitů zahrnovaly testování – v malém měřítku – nových koncepcí družicového pohonu, od iontových motorů po solární plachty. Chcete otestovat nafukovací vesmírnou stanici v miniaturním provedení nebo zjistit, zda lze vyrobit pikosatelit, který se rozloží a vytvoří velký radiový odrazový bod? Postavte si ji!“

Dalším inženýrským motivem může být testování konkrétních komponent: například porovnání vlastního elektronického zařízení s komerčně dostupnou komponentou (COTS), abyste zjistili, zda lze družice (libovolné velikosti) vyrobit nákladově efektivněji. Nebo můžete testovat nové metody komprese dat nebo alternativní metody provádění operací na palubě.

Inovace v oblasti provozu je podmnožinou inženýrských cílů, které stojí za to dále zkoumat. Pikosatelity by mohly být použity k testování koordinace konstelace družic. Mohou sloužit jako zkušební stanoviště pro studium orbitální mechaniky nebo pro výuku koordinovaného provozu družic. Jako nejlevnější způsob, jak získat přístup do vesmíru, jsou vynikajícím testovacím místem pro prototypování nových způsobů práce s družicemi předtím, než se přejde na mise za miliony dolarů.

Koncepce umění!

Nakonec jsou tu koncepční díla. Můj vlastní „projekt Calliope“ TubeSat shromažďuje in-situ měření ionosféry a přenáší je na Zemi jako hudbu, což je proces zvaný sonifikace. Záměrem je spíše než číselné údaje vrátit pocit rytmu a úrovně aktivity ve vesmíru, abychom si mohli udělat představu o tom, jak se chová soustava Slunce-Země.

Můžete vypustit družici, která bude dělat cokoli. Poslat popel do vesmíru. Vypravit himálajskou modlitební vlajku. Vypustit na oběžnou dráhu svůj titanový snubní prsten. Jakýkoli nápad na umění, hudbu nebo hybrid umění/hudby a vědy je vítán, protože je to vaše družice. Jen mu dejte nějaký účel nebo užitečnost nad rámec pouhé podívané na to, že můžete vypustit svou vlastní družici.

Vyřešte desetiletý problém pro celé lidstvo

Tady je návrhové cvičení, které po vás chce, abyste vymysleli družici. Nejde o to, zda umíte postavit, ale zda dokážete vymyslet a nastínit myšlenku, která vůbec stojí za to.

Vyberte si jeden z dekádových cílů pro pozorování Země, heliofyziku, astronomii nebo planetární vědu a navrhněte koncept mise, která by tento úkol splnila s využitím malé družicové platformy – NASA SMEX nebo menší.

Vymyslete svou družici a vytvořte pětiminutový návrh, který byste předložili NASA a požádali o financování. Omezte se na družici s jedním nebo dvěma (maximálně) přístroji. Zde je několik referenčních odkazů na dekády:

• http://www.spacepolicyonline.com/national-research-council#decadal
• http://decadal.gsfc.nasa.gov/about.html
• http://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
• http://solarsystem.nasa.gov/2013decadal/
• http://sites.nationalacademies.org/SSB/CurrentProjects/SSB_056864
• http://science.nasa.gov/earth-science/decadal-surveys/

Jedním příkladem dekádového cíle, z pozorování Země, by mohlo být:

Změna ledových příkrovů a hladiny moře. Dojde ke katastrofickému zhroucení hlavních ledových příkrovů, včetně Grónska a západní Antarktidy, a pokud ano, jak rychle k tomu dojde? Jaký bude časový průběh vzestupu mořské hladiny v důsledku toho?

Dobrý návrh by mohl obsahovat:

• Souhrnnou tabulku mise (typ/vlnová délka/cíl/kdo/oběžná dráha)
• Historii všech minulých misí, které se tímto zabývaly
• Seznam požadovaného vybavení přístroji: Jaké typy přístrojů a co každý z nich měří plus zda potřebuje zaostřovací optiku
• Rozsah rozlišení na detektor (prostorové, spektrální, časové, jasové)
• Odhad nákladů na základě srovnání/analogie s podobnými misemi

Pro vyhodnocení dobrého hřiště zvažte, zda:

• Váš cíl a družice jsou věrohodné.
• Váš přístup se zjevně jeví jako správný přístup k danému úkolu.

To je dovednost jak obchodních, tak akademických návrhů, kde musíte přesvědčit publikum nejen o tom, že jste pro daný úkol ten pravý, ale také o tom, že samotný úkol stojí za to!“

Výstavba vlastního pikosatelitu není jen prostředkem k dosažení cíle, ale samotným hodnotným cílem. I když ho nikdy nevypustíte, dovednosti a zkušenosti, které získáte při výrobě vlastní skutečné družice, mohou být úžasným zážitkem.

Tento článek je převzat z knihy DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space od Sandy Antunes. Tento seriál, který obsahuje také knihu Surviving Orbit the DIY Way, je hlubokým a uživatelsky přívětivým zdrojem informací pro budoucí stavitele kosmických lodí, který je k dispozici v Maker Shed na adrese makershed.com. Sledujte čtvrtou knihu z této série, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, která vyjde letos v létě.