Alai

Minden, amit kérek, egy sikeres indítás, egy tiszta rádiójel, és egy elég hosszú élet, hogy elérjem ezt a célt.

Ha a magaslégballonok nem elég magasak, ha frusztrál az űrfejlesztés üteme, vagy ha csak nagyon-nagyon szereted a rakétákat és a hardvert, akkor szerintem a saját műhold indítása kiváló döntés. De először is, mit akarsz, mit csináljon a műholdad? Íme 7 kulcsfontosságú dolog, amit tudnod kell, mielőtt 17 000 mérföld/órás sebességgel pályára állítod személyes űrhajódat.

Mi a pikoszatellit?

A pikoszatellitek definíció szerint rendkívül kicsi, könnyű műholdak. Bármelyik pikoszatellit általában a következő központi komponensekkel rendelkezik:

• Egy antenna
• Egy rádióadó a parancsok felküldéséhez vagy az adatok letöltéséhez
• Egy computer-on-a-chip, például egy Arduino vagy egy Basic-X24
• Egy áramellátó rendszer, leggyakrabban napelemek plusz egy akkumulátor plusz egy energiabusz
• Szenzorok

A pico osztály elődje a CubeSat, egy nyílt forráskódú architektúra, amely lehetővé teszi, hogy a 10 cm × 10 cm × 10 cm-es kockába bármit belepakoljunk, amit csak akarunk.

A CubeSat egy olyan aranyos műhold, mint egy tök. A Forbes beszámolt az egyik forgalmazóról, a Pumpkin Inc. nevű cégről, amely előre elkészített CubeSatokat szállít. Maga a CubeSat egy specifikáció, nem pedig egy készen kapható hardver, ezért a Pumpkin úgy döntött, hogy előre elkészíti a készleteket és eladja azokat. Ha van saját rakétád a CubeSat indításához, 7500 dollárért eladnak neked egy CubeSat-készletet.

Ez szépen párhuzamba állítható az InterOrbital Systems TubeSatjával. Az InterOrbital Systems (IOS) előnyben van ár/teljesítmény tekintetében, mivel ugyanannyiért adják a kilövést. De úgy néz ki, hogy sem az IOS, sem a Pumpkin nem kínál premade-eket, csak készleteket. Tehát még mindig van hobbimunka, de a készletek nélkülözik a mérnöki munkát, és csak az összeszerelés és az integrálás szórakoztató része marad.

ATubeSat és a CubeSat persze kicsit más, és őrülten örülök, hogy mindkettő a platformkészletek ötletét viszi előre. Ez nagyszerű lépés az űrkutatás árucikké tételében. Még akkor is, ha a mini CubeSat kísértetiesen hasonlít egy Hellraiser Lemarchand dobozra.

Mennyibe kerül az indítás?

Ha építesz egy CubeSatot, egy rakéta biztosítása, amivel elindíthatod, nem nehéz, csupán drága. Egy tipikus CubeSat indítási költségét 40 000 dollárra becsülik. Számos kereskedelmi szolgáltató ígéri a jövőbeni CubeSat rakétákat, feltéve, hogy befejezik a fejlesztést. A NASA és a Nemzetközi Űrállomás különböző projektjei elfogadnak néhány CubeSat-architektúrát alkalmazó javaslatot. Évről évre több cég lép be a magánindítási üzletágba, így az indítás megszerzésének kilátásai egyre szilárdabbak.

A TubeSat architektúra az InterOrbital Systems-től egy alternatív séma. Jelenleg csak az InterOrbital által támogatott, nagyon költséghatékony. A sémákat, a fő hardverkomponenseket és egy indítást a még fejlesztés alatt álló rakétájukkal egyetlen 8000 dolláros áron kapja meg. A TubeSat valamivel hosszabb hatszögletű architektúrát használ, 12 cm hosszú és 4 cm átmérőjű.

Egyedi architektúrával is dolgozhatsz, ha hozzáférsz egy rakétaindításhoz (esetleg egy főiskolán vagy egyetemen keresztül), de jelenleg az elsődleges két szereplő a nyílt CubeSat specifikáció és a privát TubeSat alternatíva.

Hol van az Orbit?

Hova fog menni a pikoszatellited? Majdnem biztos, hogy a pikoszatellitek alacsony Föld körüli pályára (LEO) fog menni, egy széles sávba, amely körülbelül 150km-től talán 600km-ig terjed. Ebben a régióban található számos tudományos műhold és a Nemzetközi Űrállomás (ISS) is. Ez az ionoszférában és az ionoszféra alatt van, a légkör nagyon-nagyon vékony része, amely egybeesik a Föld mágneses mezejének nagy részével is.

A Föld mágneses mezeje véd minket a Nap leghevesebb tevékenységétől. A nagyenergiájú részecskéket, a kitöréseket és a koronakidobódásokat (CME-k; lényegében Nap-anyag pacák) a mágneses mező elsodorja, mielőtt elérnék a földet. Ahol a mágneses mezővonalak a pólusok közelében elmerülnek, ez az energia sarki fény formájában fejeződik ki.

Az ionoszféra felett a naptevékenység miatt ellenséges lehet az űrkörnyezet. Alatta a sugárzási kockázatok sokkal kisebbek. Ezért tartják az ISS-t a LEO-ban. A LEO alapvetően olyan biztonságos, amennyire csak lehet az űrben. Ez az a hely, ahol a pikoszatellitek valószínűleg élni fognak.

Egy tipikus LEO pálya körülbelül 90 perces periódusú. Ez azt jelenti, hogy 90 percenként egyszer kerüli meg a Földet, és naponta körülbelül 15 keringést tesz meg. A pályák elhelyezkedhetnek a Föld egyenlítője közelében (egyenlítői pályák) vagy az északi és a déli pólus közötti hurokban (poláris pályák). Hasonlóképpen, a pályák lehetnek közel körkörösek, vagy erősen excentrikusak – a pálya egyik végén közelebb kerül a Földhöz, majd a másik végén messzire távolodik.

Mennyi ideig tart a műholdam?

A pályáját teljes mértékben az határozza meg, hogy a rakétaszolgáltatója mit adott el Önnek. Hobbiszinten nagy valószínűséggel egy szabványos, 250 km körüli, közel körkörös pályát fogsz kapni, akár egyenlítői, akár poláris pályán. Egy ilyen pálya (a gyenge ionoszféra légellenállása miatt) 3-16 hétig tart, mielőtt a műhold tüzes visszatérést szenvedne.

A pikoműholdak tömegénél ez azt jelenti, hogy a műholdad felszáll, és nem tér vissza. Kevesebb mint három hónapod van az adatgyűjtésre. A pikoszatellit aztán lényegében szépen elpárolog a visszatéréskor (nincs űrszemétveszély!)

Hogyan van odafent az időjárás?

LEO körülmények és életképesség

Az ionoszférát azért hívják így, mert a Nap ultraibolya (UV) sugárzása miatt elektromosan töltött atomokból (ionokból) és elektronokból álló, nagyon vékony plazma. Technikailag kb. 50km-től több mint 1000km-ig terjed (köszi Wikipedia!), de a LEO 150km-nél kezdődik – ez alatt nem lehet stabil pályán tartani. Az ionoszférát, mint említettük, a naptevékenység irányítja. A Nap felé eső részen nagyobb az ionizáció; a naptevékenység is erősen befolyásolhatja a viselkedését. A mágneses mezővonalban is vannak mélyedések, ami alacsonyabb magasságokban a sugárzás növekedéséhez vezet. Említettük a pólusokat, és az olyan régiókban, mint a dél-atlanti anomália (SAA), a mezővonalak is lejjebb süllyednek.

Ha felküldi az érzékelőket, néhány dologra ügyelni kell:

• Az érzékenységi szintjük megfelel a mérni kívánt jel szintjének.
• Legyen olyan dinamikai tartományuk, amely lehetővé teszi az értelmes adatok kinyerését.

LEO hőmérsékletek

Egy fémlemez a LEO-n -170°C és 123°C között változik a napfénytől és a napfényben töltött időtől függően. Ha a pikoszatellitek forog, akkor ez egy kicsit kiegyenlíti a hőeloszlást, de ezt a tartományt kell feltételezni. Egy pálya körülbelül fele időt tölt a napfényben, a másik felét pedig a Föld árnyékában, így a hőmérséklet viselkedését érdemes modellezni.

Mivel a pikoszatellit forog, ez a tartomány szerencsére kisebb (mivel a hőnek van ideje eloszlani és eloszlani), és egy 90 perces pályán három tartományon kell végigciklázni: túl hideg a regisztráláshoz; átmeneti régiók, ahol az érzékelő érvényes, lassan változó adatokat küld vissza; és esetleg túltelítődés a magas végén. Ha szükséges, hozzáadhat egy fűtőberendezést – a műholdak a műszertől és a burkolattól függően használtak fűtő- és hűtőberendezéseket.

Ezért elegendő egy olyan hőérzékelő (például egy microDig Hot márkájú érzékelő), amely -40 °C-tól 100 °C-ig terjed. A -40°C és 100°C közötti tartomány egy megvalósítható mérési terület. Mindenesetre ezen a tartományon túl a műhold többi elektronikája bajba kerülhet.

LEO fény

Hasonlóképpen, egy fényérzékelő szenzor egy forgó pikoműhold esetében valószínűleg csak egy bináris jelet fog visszaadni: szuperfényes Nap látható és Nap nem látható. Tehát csak azt fogja mérni, hogy mikor van a Nap látótávolságban. A fényérzékelők funkciója nagyrészt bináris lesz, hogy a Nap-sötét ciklusokat rögzítsék a keringés során, valamint a pálya általános nappali/éjszakai ciklusát. Ha a műhold kissé bukdácsol, annál jobb. Ezek a fényérzékelők a műhold helyzetének és bukdácsolásának alapvető mérőszámai lesznek. Ha tényleges fényszinteket akarsz mérni, a tervezésednek biztosítania kell, hogy a Nap ne telítse az érzékelődet.

LEO mágneses mező

Az ionoszféra térerőssége 0,3-0,6 gauss nagyságrendű, 5%-os ingadozással. Sarki pályán nagyobb ingadozással és nagyobb mágneses mezővel kell számolnod, mint egyenlítői pályán (mivel a Föld mágneses mezővonalai a pólusok közelében beesnek, innen a sarki fények). Ha nem a mezőerősséget, hanem az ingadozást akarod mérni, akkor 0,06-0,1 gauss jeleket kell rögzítened. Egy 10 dolláros Hall-effektusú érzékelő és egy op-amp akár 0,06 gaussig is le tudná mérni az ingadozásokat, ha nincs nagy külső mágneses tér. Ez alatt valószínűleg nem az érzékelő, hanem az érzékelő áramköreinek zaja lesz a korlátozó tényező.

Mi a helyzet a részecskék (sugárzás) okozta károkkal?

A küldetés élettartama rövid (kevesebb mint három hónap), így a halmozott károk miatt nem kell aggódnia. Régebben az iskolában sugárzáskárosodási modellekkel foglalkoztam, és kiderült, hogy a modern elektronika rövid időskálán meglepően robusztus. Elsősorban olyan egyszeri eseményes zavarok (SEP) lesznek, amelyek megzavarnak egy érzékelőt vagy számítógépet, de mivel valószínűleg nincs szükséged 100%-os üzemidőre, ez nem jelenthet problémát. Valójában a zavarok érdekes karaktert adnak a származtatott adatoknak. Ha például napviharral találkozik, érdekes lesz látni, hogy az érzékelők hogyan kezelik azt, akár telítődéssel, akár téves jelekkel. Egy arányos számláló vagy ennek helyettesítő megfelelője (például egy microDig Reach) képes mérni ezeket a részecskeszámlálásokat.

És végül a legfontosabb tudnivaló:

Mi a küldetésem?

Mi a fenét akarsz a pikoszatelliteddel csinálni? A tipikus pikoszatellit-választásokat szépen feloszthatod tudományos küldetésekre, mérnöki küldetésekre és műalkotásokra. A tudományos hasznos teher dolgokat mér. A mérnöki hasznos teher hardvert vagy szoftvert tesztel. Egy művészeti projekt egy nagyszabású koncepciót valósít meg. Mindegyiket meglátogatjuk.

Tudomány!

A tudományos küldetés során a pikoszatellitek mérni fog valamit. A tudomány középpontjában a mérés áll. Háromféle küldetést végezhetsz: irányító, in-situ és mérnöki építkezések.

A irányító küldetés olyan, mint egy távcső. A pikoműhold egy érdekes objektumra – a Napra, a Holdra, a csillagokra, az égbolt hátterére vagy a Földre – mutat, és megfigyeli azt. Vegye figyelembe, hogy a Földre való rámutatáshoz engedélyre van szükség – nem nehéz megszerezni, de a hobbitérben védik a magánéletet.

Mutathat véletlenszerűen, de ez nem tűnik túl hasznosnak. Beállíthatsz egy felmérési módot, ahol a pikoműholdadnak meghatározott tájolást adsz a pályáján, így minden egyes keringésnél kiszámítható módon söpör végig az égbolton. Vagy aktív irányítást is végezhetünk, amikor a pikoműholdat arra irányítjuk, amerre szeretnénk.

Az aktív irányítás meglehetősen nagy kihívást jelent. Nagyon pontosan kell ismerned a pozíciódat. Az inerciális referenciák használata – a kezdeti pálya ismerete plusz a műhold mozgásának belső előrejelzése – nem pontos a szenzoros irányításhoz. Ezért a mutatáshoz általában valamilyen csillagkövetőre van szükség. Ezek két vagy több széles látómezejű teleszkópot jelentenek, amelyek az égboltot leképezik, és összehasonlítják azt az ismert fényes referenciacsillagok fedélzeti katalógusával.

A csillagkövetés technikailag bonyolult, és valószínűleg meghaladja egy tipikus pikoműhold súlyát és tervezési korlátait. Erről azonban bővebben lásd alább a “Mérnöki munka!” című fejezetben.

A pikoszatellitek általánosabb tudományos felhasználása a helyszíni mérések. Ez olyan érzékelők használatát jelenti, amelyek mérik azt a régiót, amelyben a műhold tartózkodik, anélkül, hogy a műholdat irányítani kellene. A hőmérő tökéletes példa az in-situ érzékelőre. A hőmérsékletet méri, és nem kell pontosan irányítani ahhoz, hogy tudjuk, hogy működik.

A LEO-ról végzett egyéb in-situ mérések közé tartozhat az ionoszféra elektromos és mágneses tere, a Nap fénye vagy a Föld visszavert fénye, az ionoszféra sűrűségének mérése, vagy a pálya kinematikájának és pozicionálásának követése (hogyan mozog).

Vagy talán nem akarsz valamit tudományosan mérni, csak építeni akarsz valamit. Ez a mérnöki munka.

Mérnöki munka!

Egy mérnöki pikoszatellit arra használja a platformot, hogy kipróbáljon néhány új űrhardver-koncepciót, vagy hogy gyakorlatot szerezzen az ismert űrhardverek saját változatainak megépítésében.

Egy pikoszatellitet készíthet, hogy kipróbálja a hardver bármelyik komponensét. Egy új energiarendszer, egy új helymeghatározási módszer, egy új típusú rádió- vagy relékommunikáció, új érzékelők – valójában a műhold bármely összetevője megépíthető és továbbfejleszthető.

Néhány pikoszatellit-projekt keretében – kis léptékben – új műholdas meghajtási koncepciókat teszteltek, az ionhajtóművektől kezdve a napvitorlákig. Szeretne kipróbálni egy felfújható űrállomást miniatűrben, vagy megnézné, hogy tud-e olyan pikoszatellitet készíteni, amely kibontakozva egy nagyméretű amatőrrádió-ugrópontot alkot? Építse meg!

Egy másik mérnöki indíték lehet bizonyos alkatrészek tesztelése: például egy egyedi elektronikai berendezés összehasonlítása egy kereskedelmi forgalomban kapható (COTS) alkatrésszel, hogy kiderüljön, lehet-e (bármilyen méretű) műholdat költséghatékonyabbá tenni. Vagy tesztelhet új adattömörítési módszereket vagy a fedélzeti műveletek elvégzésének alternatív módszereit.

A műveletek terén történő innováció a mérnöki célok egy olyan részhalmaza, amelyet érdemes tovább vizsgálni. A pikoszatellitek felhasználhatók egy műholdkonstelláció koordinációjának tesztelésére. Lehetnek a pályamechanikai tanulmányok próbapadjai, vagy a műholdak összehangolt üzemeltetésének tanulságai. Mivel a világűrbe való bejutás legolcsóbb módja, kiváló próbapadok a műholdas munka új módszereinek prototipizálására, mielőtt millió dolláros küldetésekbe kezdenénk.

Művészeti koncepció!

Végezetül, vannak koncepciódarabok. Az én saját “Project Calliope” TubeSat-om az ionoszféra helyszíni méréseit gyűjti, és zenei formában továbbítja a Földre, ezt a folyamatot szonifikációnak nevezik. A szándék az, hogy a számszerű adatok helyett inkább az űr ritmusát és aktivitási szintjét adjuk vissza, hogy érzékeljük, hogyan viselkedik a Nap-Föld rendszer.

Egy műholdat bármihez fel lehet indítani. Küldj hamut az űrbe. Felküldhetsz egy himalájai imazászlót. Kilőheted a titán jegygyűrűdet a Föld körüli pályára. Bármilyen művészeti, zenei vagy művészet/zene/tudomány hibrid ötletet szívesen fogadunk, mert ez a te műholdad. Csak adj neki egy célt vagy hasznosságot, ami túlmutat azon a látványosságon, hogy fel tudod lőni a saját műholdadat.

Rendezz meg egy tízéves problémát az egész emberiség számára

Itt egy tervezési feladat, amelyben egy műholdat kell kitalálnod. A lényeg nem az, hogy meg tudod-e építeni, hanem az, hogy el tudsz-e képzelni és fel tudsz-e vázolni egy olyan ötletet, amelyet egyáltalán érdemes megépíteni.

Válaszd ki a Föld-megfigyelés, a heliofizika, a csillagászat vagy a bolygótudomány egyik tízéves célját, és tervezz egy olyan küldetéskoncepciót, amely a feladatot egy kis műholdplatform – NASA SMEX vagy annál kisebb – segítségével teljesíti.

Találd fel a műholdadat, és készíts egy ötperces bemutatót, amelyet a NASA-nak mutatnál be, hogy támogatást kérj. Korlátozzátok magatokat egy vagy legfeljebb két műszerrel rendelkező műholdra. Íme néhány decadális referencia link:

• 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/

Egy példa egy decadális célra, a Föld megfigyeléséből, lehet:

A jégtakarók és a tengerszint változása. Lesz-e katasztrofális összeomlás a nagy jégtakarókban, beleértve a grönlandi és a nyugat-antarktiszi jégtakarókat, és ha igen, milyen gyorsan fog ez bekövetkezni? Milyen lesz ennek következtében a tengerszint-emelkedés időbeli alakulása?

Egy jó pályázat tartalmazhatná:

• A küldetés összefoglaló táblázatát (típus/hullámhossz/cél/ki/körpálya)
• A korábbi küldetések története, amelyek ezzel foglalkoztak
• A kívánt műszerek listája: Milyen műszer típusok és mit mérnek, plusz hogy szükség van-e fókuszáló optikára
• Felbontási tartomány detektoronként (térbeli, spektrális, időzítés, fényesség)
• Költségbecslés, hasonló küldetésekkel való összehasonlítás/analógia alapján

A jó pálya értékeléséhez vegye figyelembe, hogy:

• A cél és a műhold plauzibilis.
• A megközelítésed egyértelműen megfelelőnek tűnik a feladathoz.

Ez mind az üzleti, mind a tudományos pályázatok készsége, ahol nem csak arról kell meggyőznöd a közönséget, hogy te vagy a megfelelő személy a feladatra, hanem arról is, hogy magát a feladatot érdemes elvégezni!

A saját pikoszatellit megépítése nem csak egy eszköz a célhoz, hanem maga a cél is érdemes. Még ha soha nem is indítod el, a saját valódi műhold elkészítése során szerzett készségek és tapasztalatok nagyszerű élményt jelenthetnek.

Ez a cikk a DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space című könyvből származik, amelyet Sandy Antunes írt. Ez a sorozat, amely magában foglalja a Surviving Orbit the DIY Way-t is, egy mély és felhasználóbarát forrás a leendő űrhajóépítők számára, amely elérhető a Maker Shedtől a makershed.com címen. Figyeljék a sorozat negyedik könyvét, a DIY Data Communication for Amateur Spacecraft címűt, amely idén nyáron jelenik meg.