Alai

Pyydän vain onnistunutta laukaisua, puhdasta radiosignaalia ja riittävän pitkää elinikää tavoitteen saavuttamiseen.

Jos korkealla lentävät ilmapallot eivät ole tarpeeksi korkealla, jos avaruuden kehityksen vauhti turhauttaa tai jos vain todella pidät raketeista ja laitteistosta, oman satelliitin laukaiseminen on mielestäni erinomainen päätös. Mutta mitä haluat satelliittisi tekevän? Seuraavassa on 7 keskeistä asiaa, jotka sinun on tiedettävä, ennen kuin laukaiset henkilökohtaisen avaruusaluksesi kiertoradalle 17 000 mailin tuntinopeudella.

Mikä on pikosatelliitti?

Pikosatelliitit ovat määritelmänsä mukaan erittäin pieniä, kevyitä satelliitteja. Kaikissa pikosatelliiteissa on yleensä nämä ydinkomponentit:

• Antenni
• Radiolähetin komentojen lähettämistä tai tietojen lataamista varten
• Computer-on-a-chip, kuten Arduino tai Basic-X24
• Voimajärjestelmä, useimmiten aurinkokennot plus akku plus tehoväylä
• Sensorit

Pico-luokan kantaisä on CubeSat, avoimen lähdekoodin arkkitehtuuri, jonka avulla voit pakata mitä tahansa haluamasi 10cm × 10cm × 10cm kuutioon.

CubeSat on satelliitti, joka on söpö kuin kurpitsa. Forbes kertoi yhdestä myyjästä, Pumpkin Inc:stä, joka toimittaa valmiita CubeSatteja. CubeSat itsessään on spesifikaatio, ei valmis laitteisto, joten Pumpkin päätti rakentaa valmiit sarjat ja myydä niitä. Jos sinulla on oma raketti, jolla voit laukaista CubeSatin, he myyvät sinulle CubeSat-paketin 7500 dollarilla.

Tämä rinnastuu hienosti InterOrbital Systemsin TubeSatiin. InterOrbital Systems (IOS) on etulyöntiasemassa hinta/suorituskyvyssä, koska he heittävät laukaisun samaan hintaan. Mutta näyttää siltä, ettei IOS eikä Pumpkin tarjoa premadeja, vain sarjoja. Harrastajat tekevät siis edelleen töitä, mutta sarjat poistavat suunnittelun tarpeen ja jättävät vain kokoamisen ja integroinnin hauskan osan.

TubeSatit ja CubeSatit ovat tietysti hieman erilaisia, ja olen mielettömän iloinen siitä, että kumpikin edistää alustasarjojen ideaa. Tämä on hieno askel avaruustutkimuksen tuotteistamisessa. Vaikka mini-CubeSat näyttääkin pelottavan samankaltaiselta kuin Hellraiser Lemarchand -laatikko.

Paljonko laukaisu maksaa?

Jos rakennat CubeSatin, raketin hankkiminen sen laukaisua varten ei ole vaikeaa, ainoastaan kallista. Tyypillinen CubeSatin laukaisukustannus on arviolta 40 000 dollaria. Useat kaupalliset tarjoajat lupaavat tulevia CubeSat-raketteja, mikäli ne saavat kehityksensä päätökseen. Useat NASA:n ja kansainvälisen avaruusaseman hankkeet hyväksyvät joitakin ehdotuksia, joissa käytetään CubeSat-arkkitehtuuria. Yksityiseen laukaisuliiketoimintaan tulee joka vuosi lisää yrityksiä, joten mahdollisuudet laukaisun saamiseen paranevat.

InterOrbital Systemsin TubeSat-arkkitehtuuri on vaihtoehtoinen skeema. Tällä hetkellä vain InterOrbital tukee sitä, ja se on erittäin kustannustehokas. Saat kaaviot, tärkeimmät laitteistokomponentit ja laukaisun heidän vielä kehitteillä olevalla raketillaan 8 000 dollarin kertahintaan. TubeSat käyttää hieman pidempää kuusikulmaista arkkitehtuuria, joka on 12 cm pitkä ja 4 cm halkaisijaltaan.

Voit työskennellä myös räätälöidyn arkkitehtuurin kanssa, jos sinulla on pääsy raketin laukaisuun (kenties korkeakoulun tai yliopiston kautta), mutta tällä hetkellä kaksi ensisijaista toimijaa ovat avoin CubeSat-spektaakkeli (CubeSat-spektaakkeli) ja yksityinen TubeSat-vaihtoehto.

Missä on kiertoradalla?

Minnekäs pikosatelliittisi lentää? On lähes itsestään selvää, että pikosatelliittisi menee matalalle kiertoradalle (LEO, low earth orbit), joka on laaja alue noin 150 km:stä ehkä 600 km:iin. Tällä alueella on myös monia tiedesatelliitteja ja kansainvälinen avaruusasema (ISS). Se on ionosfäärissä ja sen alapuolella, hyvin, hyvin ohuessa ilmakehän osassa, joka osuu myös suurelta osin yhteen Maan magneettikentän kanssa.

Maailman magneettikenttä suojaa meitä Auringon kiivaimmalta toiminnalta. Korkea-energiset hiukkaset, leimahduspäästöt ja koronaaliset massapurkaukset (CME:t; periaatteessa Auringon ainekimpaleet) ohjautuvat magneettikentän avulla ennen kuin ne pääsevät maahan. Siellä, missä magneettikentän linjat laskevat lähellä napoja, tämä energia ilmenee revontulina.

Avaruusympäristö voi olla auringon aktiivisuudesta johtuen vihamielinen ionosfäärin yläpuolella. Sen alapuolella säteilyriskit ovat paljon pienemmät. Tämän vuoksi ISS:ää pidetään LEO:ssa. LEO on pohjimmiltaan suunnilleen niin turvallinen kuin avaruus voi olla. Siellä myös pikosatelliittisi todennäköisesti asuu.

Tyypillisen LEO-radan kesto on noin 90 minuuttia. Toisin sanoen se kiertää maapallon ympäri kerran 90 minuutissa ja tekee noin 15 kiertoa päivässä. Kiertoradat voivat sijaita lähellä maapallon päiväntasaajaa (päiväntasaajan kiertoradat) tai kiertää pohjoisnavalta etelänavalle (napa-radat). Vastaavasti kiertoradat voivat olla lähes ympyränmuotoisia tai erittäin eksentrisiä – lähestyä maapalloa kiertoradan toisessa päässä ja siirtyä sitten kauas toisesta päästä.

Kauanko satelliittini kestää?

Kiertoratasi määräytyy täysin sen mukaan, mitä rakettipalveluntarjoajasi on myynyt sinulle. Harrastajatasolla saat mitä todennäköisimmin tavallisen noin 250 km:n lähes ympyränmuotoisen kiertoradan, joko päiväntasaajan tai polaarisen. Tällainen kiertorata kestää (heikon ionosfäärin aiheuttaman vetovoiman vuoksi) 3-16 viikkoa ennen kuin satelliitti kärsii tulisesta paluusta.

Pikosatelliitin massoilla tämä tarkoittaa, että satelliittisi nousee ylös eikä palaa takaisin. Sinulla on alle kolme kuukautta aikaa kerätä tietoa. Pikosatelliitti sitten periaatteessa höyrystyy siististi palatessaan (ei avaruusromun vaaraa!)

Millainen sää siellä ylhäällä on?

LEO-olosuhteet ja elinkelpoisuus

Ionosfääri on nimeltään siksi, että se on Auringon ultraviolettisäteilyn (UV-säteilyn) vaikutuksesta hyvin ohutta plasmaa, joka muodostuu sähköisesti varautuneista atomeista (ioneista) ja elektroneista. Teknisesti se ulottuu noin 50km:stä yli 1000km:iin (kiitos Wikipedia!), mutta LEO alkaa 150km:stä – sen alapuolella ei voi ylläpitää vakaata kiertorataa. Kuten mainittu, ionosfäärin toimintaa ohjaa Auringon aktiivisuus. Auringon puoleisessa osassa on enemmän ionisaatiota; myös auringon aktiivisuus voi ohjata sen käyttäytymistä voimakkaasti. Magneettikentän linjassa on myös notkahduksia, jotka johtavat säteilyn lisääntymiseen alemmilla korkeuksilla. Olemme maininneet navat, ja alueilla, kuten Etelä-Atlantin anomaliassa (SAA), on myös kenttälinjoja, jotka laskevat alemmas.

Jos olet lähettämässä ylös antureita, haluat varmistaa pari asiaa:

• Neillä on herkkyystaso, joka on sopiva sen signaalin tasolle, jota yrität mitata.
• Neillä on dynaaminen alue, jonka avulla voit poimia mielekästä dataa.

LEO-lämpötilat

Leossa oleva metallilevy vaihtelee -170 °C:sta 123 °C:een riippuen sen auringon puoleisesta pinnasta ja auringonvalossa oloajasta. Jos pikosatelliittisi pyörii, tämä tasoittaa lämmön jakautumista hieman, mutta tämä on oletettava vaihteluväli. Kiertoradalla on noin puolet ajasta auringonvalossa ja toinen puoli Maan varjossa, joten lämpötilakäyttäytyminen kannattaa mallintaa.

Koska pikosatelliitti pyörii, tämä vaihteluväli on onneksi pienempi (koska lämpö ehtii jakaantua ja haihtua). 90 minuutin kiertoradalla sinun pitäisi kiertää kolmella alueella: liian kylmää rekisteröidäksesi, siirtymäalueita, joilla anturi palauttaa kelvollista, hitaasti muuttuvaa dataa ja mahdollisesti ylikyllästymistä korkeimmassa ääripäässä. Tarvittaessa voit lisätä lämmittimen – satelliitit ovat käyttäneet lämmittimiä ja jäähdyttimiä instrumentista ja kasvotuksesta riippuen.

Siten lämpöanturi (kuten microDig Hot -merkkinen anturi), joka kattaa -40 °C:sta 100 °C:een, riittää. Alue -40 °C:sta 100 °C:seen on toteuttamiskelpoinen alue mitattavaksi. Joka tapauksessa tuon alueen ulkopuolella satelliitin muu elektroniikka voi joutua vaikeuksiin.

LEO-valo

Valoa havaitseva anturi pyörivälle pikosatelliitille palauttaa todennäköisesti vain binäärisignaalin: superkirkas aurinko näkyvissä ja aurinko ei näkyvissä. Eli kaikki mitä se mittaa, on ajankohta, jolloin Aurinko on näkyvissä. Valoanturien tehtävä on pitkälti binäärinen, ja niiden tehtävänä on havaita auringon ja pimeyden vaihtelut satelliitin pyöriessä sekä kiertoradan yleinen päivä- ja yösykli. Jos satelliittia hieman heiluttaa, sitä parempi. Valoanturit antavat perustiedot satelliitin sijainnista ja kallistumisesta. Jos haluatte mitata todellisia valotasoja, suunnittelussanne on varmistettava, että aurinko ei kyllästä ilmaisinta.

LEO:n magneettikenttä

Ionosfäärin kentän voimakkuus on luokkaa 0,3-0,6 gaussia, ja sen vaihtelu on 5 %. Polaariradalla vaihtelu on suurempaa ja magneettikenttä korkeampi kuin ekvaattoriradalla (koska Maan magneettikenttälinjat kallistuvat napojen lähellä, siksi revontulet). Jos haluat mitata vaihtelua, et kentän voimakkuutta, sinun on otettava 0,06-0,1 gaussin signaalit. Kymmenen dollarin Hall-efektianturi ja op-ampeeri voivat mitata jopa 0,06 gaussin vaihtelut, jos ulkoinen magneettikenttä ei ole suuri. Tämän alapuolella rajoittavana tekijänä on todennäköisesti anturisi piirien kohina, ei anturi.

Mikä on hiukkasten (säteilyn) aiheuttamat vauriot?

Lähetyksen käyttöikä on lyhyt (alle kolme kuukautta), joten kumulatiivisista vaurioista ei tarvitse huolehtia. Tein kouluaikoina säteilyvauriomalleja, ja kävi ilmi, että nykyaikainen elektroniikka on yllättävän kestävää lyhyellä aikaskaalalla. Ensisijaisesti esiintyy yksittäisiä häiriöitä (single-event upsets, SEP), jotka sekoittavat anturin tai tietokoneen, mutta koska et todennäköisesti tarvitse 100-prosenttista käyttöaikaa, tämän ei pitäisi olla ongelma. Itse asiassa häiriöt lisäävät mielenkiintoista luonnetta johdettuihin tietoihin. Jos kohtaat esimerkiksi aurinkomyrskyn, on mielenkiintoista nähdä, miten anturit selviytyvät siitä, joko kyllästymällä tai vääränlaisilla signaaleilla. Proportionaalilaskuri tai vastaava korvike (kuten microDig Reach) voi mitata näitä hiukkaslukuja.

Ja lopuksi tärkein asia, joka on tiedettävä:

Mikä on tehtäväni?

Mitä hemmettiä haluat pikosatelliittisi tekevän? Voit jakaa tyypilliset pikosatelliitin valinnat siististi tiedetehtäviin, insinööritehtäviin ja taideteoksiin. Tieteen hyötykuorma mittaa asioita. Tekninen hyötykuorma testaa laitteistoa tai ohjelmistoa. Taideprojekti toteuttaa korkean konseptin. Käymme läpi jokaisen.

Tiede!

Tiedetehtävässä pikosatelliittisi mittaa jotain. Tieteessä on pohjimmiltaan kyse mittaamisesta. On olemassa kolmenlaisia tehtäviä, joita voit tehdä: osoittava tehtävä, in situ -tehtävä ja insinöörirakentaminen.

Ohjaava tehtävä on kuin kaukoputki. Pikosatelliittisi osoittaa kiinnostavaa kohdetta – Aurinkoa, Kuuta, tähtiä, taivaan taustaa tai Maata – ja tarkkailee sitä. Huomaa, että Maahan osoittaminen vaatii luvan – sitä ei ole vaikea saada, mutta yksityisyys on suojattu harrastusavaruudessa.

Voit osoittaa satunnaisesti, mutta se ei vaikuta kovin hyödylliseltä. Voit asettaa kartoitustilan, jossa pikosatelliitillesi annetaan tietty suunta sen kiertoradalla niin, että jokaisella kiertoradalla se pyyhkäisee taivaan poikki ennustettavalla tavalla. Tai voit tehdä aktiivisen osoittamisen, jolloin saat pikosatelliitin katsomaan sinne minne haluat.

Aktiivinen osoittaminen on melko haastavaa. Sinun täytyy tietää sijaintisi hyvin tarkasti. Inertiareferenssien käyttäminen – tieto alkuperäisestä kiertoradasta plus sisäinen ennuste siitä, miten satelliitti liikkuu – on epätarkkaa sensorin osoittamista varten. Siksi osoittamiseen tarvitaan tyypillisesti jonkinlaisia tähtipaikannuslaitteita. Nämä ovat kaksi tai useampia laajakenttäkaukoputkia, jotka kuvaavat taivasta ja vertaavat sitä laivalla olevaan luetteloon tunnetuista kirkkaista vertailutähdistä.

Tähtiseuranta on teknisesti monimutkaista, ja se ylittää todennäköisesti tyypillisen pikosatelliitin paino- ja suunnittelurajoitukset. Tästä on kuitenkin lisää jäljempänä kohdassa ”Tekniikka!”.

Yleisempi pikosatelliitin tieteellinen käyttötapa on in situ -mittaukset. Tämä tarkoittaa sellaisten antureiden käyttöä, jotka mittaavat aluetta, jossa satelliitti on, ilman että sitä tarvitsee suunnata. Lämpömittari on täydellinen esimerkki in situ -ilmaisimesta. Se mittaa lämpötilaa, eikä sitä tarvitse suunnata tarkasti, jotta tietää sen toimivan.

Muita in situ -mittauksia LEO:lta voivat olla esimerkiksi ionosfäärin sähkö- ja magneettikenttä, Auringosta tuleva valo tai heijastunut Maan hehku, ionosfäärin tiheyden mittaaminen tai kiertoratasi kinematiikan ja paikannuksen (miten liikut) seuraaminen.

Olipa sittenkin mahdollista, ettet halua mitata jotakin tieteellisesti, vaan haluat vain rakentaa jotain. Se on insinöörityötä.

Insinöörityötä!

Insinöörityötä tekevä pikosatelliitti käyttää alustaa joidenkin uusien avaruuslaitteistokonseptien kokeilemiseen tai antaa sinulle harjoitusta omien muunnelmien rakentamiseen tunnetuista avaruuslaitteistoista.

Voit tehdä pikosatelliitin testataksesi mitä tahansa laitteistokomponentteja. Uusi tehojärjestelmä, uusi paikannusmenetelmä, uudentyyppinen radio- tai relekommunikaatio, uudet anturit – oikeastaan mitä tahansa satelliitin komponenttia voidaan rakentaa ja parantaa.

Joidenkin pikosatelliittiprojektien yhteydessä on testattu pienessä mittakaavassa satelliitin uusia käyttövoimakonsepteja ioni-moottoreiden käyttövoimasta aina auringon purjeisiin. Haluatko testata ilmatäytteistä avaruusasemaa pienoiskoossa tai kokeilla, voisitko tehdä pikosatelliitin, joka taittuu ja muodostaa suuren radioamatöörin pomppupisteen? Rakenna se!

Toinen tekninen motiivi voi olla tiettyjen komponenttien testaaminen: esimerkiksi räätälöidyn elektroniikkalaitteiston ja kaupallisen valmiin komponentin (COTS-komponentin) vertailu sen selvittämiseksi, voidaanko (minkä tahansa kokoisista) satelliiteista tehdä kustannustehokkaampia. Tai voidaan testata uusia tiedonpakkausmenetelmiä tai vaihtoehtoisia tapoja tehdä operaatioita satelliitissa.

Innovaatio operaatioissa on insinööritieteellisten tavoitteiden osajoukko, jota kannattaa tutkia tarkemmin. Pikosatelliitteja voitaisiin käyttää satelliittikonstellaation koordinoinnin testaamiseen. Ne voivat olla testialustoja kiertoratamekaniikan tutkimuksille tai oppia koordinoitua satelliittitoimintaa. Koska ne ovat halvin tapa päästä avaruuteen, ne ovat erinomaisia testialustoja uusien tapojen prototyyppeihin satelliittityön tekemiseksi ennen siirtymistä miljoonien dollareiden operaatioihin.

Taidekonsepti!

Loppujen lopuksi on konseptikappaleita. Oma ”Project Calliope” TubeSat kerää paikan päällä mittauksia ionosfääristä ja lähettää ne Maahan musiikkina, prosessia kutsutaan sonifikaatioksi. Tarkoituksena on palauttaa mieluummin avaruuden rytmi ja aktiivisuustaso kuin numeerista dataa, jotta saamme käsityksen siitä, miten Aurinko-Maa-järjestelmä käyttäytyy.

Satelliitin voi laukaista mitä tahansa tekemään. Lähetä tuhkaa avaruuteen. Lähettää ylös Himalajan rukouslippu. Laukaista titaaninen vihkisormuksesi kiertoradalle. Kaikki taide-, musiikki- tai taiteen/musiikin/tieteen hybridi-ideat ovat tervetulleita, koska se on sinun satelliittisi. Anna sille vain jokin muu tarkoitus tai hyöty kuin pelkkä spektaakkeli oman satelliittisi laukaisemisesta.

Ratkaise vuosikymmenen mittainen ongelma koko ihmiskunnalle

Tässä suunnitteluharjoitus, jossa pyydetään sinua keksimään satelliitti. Kyse ei ole siitä, pystytkö rakentamaan, vaan siitä, pystytkö ideoimaan ja hahmottelemaan idean, joka on ylipäätään rakentamisen arvoinen.

Valitse yksi kymmenvuotistavoitteista maanhavainnoinnille, heliofysiikalle, tähtitieteelle tai planeettatieteelle ja suunnittele tehtäväkonsepti, jonka avulla voit täyttää kyseisen tehtävän käyttäen pientä satelliittialustaa – NASA:n SMEX:iä tai sitä pienempää alusta.

Satelliittisi keksitään ja siitä laaditaan viisiminuuttinen esitys, jonka esittäisit NASA:n edessä ja jossa kysyisit sen rahoitusta. Rajoita itsesi satelliittiin, jossa on yksi tai kaksi (korkeintaan) instrumenttia. Tässä muutamia kymmenvuotisviitteitä:

• 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/

Yksi esimerkki kymmenvuotistavoitteesta maapallon havainnoinnissa voisi olla:

Jääpeitteiden ja vedenkorkeuden muuttuminen. Tuleeko suurten jääpeitteiden, myös Grönlannin ja Länsi-Antarktiksen jääpeitteiden, katastrofaalinen romahtaminen, ja jos tulee, kuinka nopeasti se tapahtuu? Millainen on merenpinnan nousun ajallinen kulku tämän seurauksena?

Hyvä esitys voisi sisältää:

• Yhteenvetokaavio tehtävästä (tyyppi/aallonpituus/tavoite/tavoite/kuka/kiertorata)
• Historiaa aiemmista tehtävistä, jotka ovat käsitelleet tätä
• Luettelo halutusta mittaristosta: mitä instrumenttityyppejä ja mitä kukin niistä mittaa sekä tarvitaanko tarkennusoptiikkaa
• Resoluutioalue detektoreittain (spatiaalinen, spektrinen, ajoitus, kirkkaus)
• Kustannusarvio, joka perustuu vertailuun/analogiaan vastaaviin operaatioihin

Hyvän kentän arvioimiseksi mieti, onko:

• Tavoitteesi ja satelliittisi ovat uskottavia.
• Lähestymistapasi vaikuttaa selvästi oikealta lähestymistavalta tehtävään.

Tämä on sekä liike-elämän että akateemisten ehdotusten taito, jossa sinun on paitsi vakuutettava yleisö siitä, että olet oikea henkilö tehtävään, myös siitä, että tehtävä itsessään on tekemisen arvoinen!

Oman pikosatelliitin rakentaminen ei ole pelkkä keino päästä päämäärään, vaan kannattava päämäärä itsessään. Vaikka et koskaan laukaisisi sitä, oman oikean satelliitin rakentamisesta saadut taidot ja kokemukset voivat olla mahtava kokemus.

Tämä artikkeli on muokattu teoksesta DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space, kirjoittanut Sandy Antunes. Tämä sarja, johon kuuluu myös Surviving Orbit the DIY Way, on syvällinen ja käyttäjäystävällinen resurssi tuleville avaruusalusten rakentajille, saatavana Maker Shedistä osoitteesta makershed.com. Sarjan neljäs kirja, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, on tulossa tänä kesänä.