私が求めるのは、打ち上げの成功、きれいな無線信号、そしてその目標を達成するのに十分な寿命です。
高高度気球だけでは十分ではない場合、宇宙開発のペースに不満を感じる場合、ロケットとハードウェアが本当に本当に好きなら、自分の衛星を打ち上げられることは素晴らしい決断だと思います。 でも、その前に、自分の衛星に何をさせたいですか？ ここでは、時速17,000マイルの軌道に自分の宇宙船を打ち上げる前に知っておくべき7つの重要なことを説明します。
小衛星とは何か
小衛星とは、定義上は極めて小型で軽量の人工衛星のことで、その定義は次のとおりです。 どのようなピコ衛星でも、以下のようなコアコンポーネントを持つ傾向があります。
- アンテナ
- コマンドをアップリンクしたりデータをダウンロードするための無線送信機
- ArduinoやBasic-X24などのコンピュータ・オンチップ
- 電力システム。 8582>
- センサー
ピコクラスの始祖は、10cm×10cm×10cmの立方体に好きなものを詰め込むことができるオープンソースのアーキテクチャ、キューブサットである。
キューブサットは、カボチャのようにかわいい人工衛星です。 フォーブスは、プレメイドのCubeSatを供給するベンダー、Pumpkin Inc.の一例を報じている。 CubeSat自体は仕様であり、既製品のハードウェアではないので、Pumpkinはキットをプレビルドして販売することにしました。 CubeSatを打ち上げるための自分のロケットを持っていれば、7,500ドルでCubeSatのキットを販売してくれます。 InterOrbital Systems (IOS) は、同じコストで打ち上げを行うため、価格/性能で優位に立っています。 しかし、IOSもPumpkinもプリメイドは提供せず、キットだけ提供するようです。 しかし、キットはエンジニアリングの必要性を排除し、組み立てと統合の楽しい部分を残すだけです。
TubeSat と CubeSat はもちろんわずかに異なりますが、両方ともプラットフォーム キットのアイデアを推進しているのでめちゃくちゃうれしいですね。 これは、宇宙研究のコモディティ化に向けた大きな一歩だと思います。
打ち上げコストは？
キューブサットを作る場合、それを打ち上げるロケットを確保するのは難しくなく、単にコストがかかるだけです。 一般的なCubeSatの打ち上げ費用は4万ドルと言われています。 開発が完了すれば、将来的にCubeSatロケットの打ち上げを約束している商業プロバイダーがいくつかあります。 NASAや国際宇宙ステーションのプロジェクトでは、CubeSatのアーキテクチャを用いたいくつかの提案を受け入れています。 1337>
InterOrbital Systems社のTubeSatアーキテクチャは、代替スキーマです。 現在はInterOrbital社のみがサポートしていますが、非常にコストパフォーマンスが高いです。 回路図、主要なハードウェア部品、そしてまだ開発中のロケットでの打ち上げを、8000ドルという単一価格で手に入れることができるのです。 チューブサットは、長さ12cm、直径4cmの少し長い六角形のアーキテクチャを使用しています。
ロケット打ち上げへのアクセス（大学などを通じて）があれば、カスタムアーキテクチャで作業することもできますが、現在の主役はオープンなキューブサット仕様と民間のチューブサットの選択肢の2つです。 ピコ衛星が低軌道（LEO）に乗ることはほぼ確実で、約150kmからおそらく600kmまでの広い帯域になります。 これは、多くの科学衛星や国際宇宙ステーション（ISS）がある領域です。 電離層は大気のごく薄い部分で、地球の磁場の大部分と重なります。 高エネルギー粒子、フレア、コロナ質量放出（CME：基本的に太陽の物質の塊）は、地上に到達する前に磁場によって押し流されるのです。
Above the ionosphere, the space environment can be hostile due to solar activities.これは、宇宙環境が太陽活動によって危険にさらされていることを意味します。 電離層より下は、放射線のリスクはかなり低くなります。 そのため、ISSはLEOに置かれているのです。 そのため、ISSはLEOに設置されています。LEOは、宇宙空間と同じくらい安全です。 典型的なLEO軌道は、周期が約90分です。 つまり、90分に1回、地球の周りを回り、1日に約15周します。 軌道は地球の赤道付近に位置したり（赤道軌道）、北極から南極にループしたり（極軌道）することがあります。 同様に、軌道はほぼ円形であったり、偏心していたり（軌道の片方で地球に近づき、もう片方で遠ざかる）することもあります。 趣味のレベルでは、ほとんどの場合、赤道あるいは極軌道のどちらかで、250kmかそこらのほぼ円形の軌道を取得することになるでしょう。 このような軌道は（電離層に引きずられるため）3週間から16週間続き、衛星は激しい再突入を経験します。 データを収集するのに3ヶ月弱もあるのです。
地球の天気は？
LEOの条件と生存率
電離層は、太陽からの紫外線によって電気を帯びた原子（イオン）と電子の非常に薄いプラズマであることから、そう呼ばれています。 技術的には約50kmから1000km以上まで広がっていますが（ウィキペディアに感謝！）、LEOは150kmからで、それ以下では安定した軌道を維持することはできません。 電離層は、前述の通り、太陽活動によって駆動される。 太陽に面した部分は電離が進みます。また、太陽活動によって電離層の挙動が大きく左右されることもあります。 また、磁力線にくぼみがあるため、低高度での放射線の増加につながります。
センサーを上げる場合、以下のことを確認します。
- 測定しようとする信号のレベルに適した感度レベルを持っていること。
LEO Temperatures
LEO の金属板は、太陽面や日光に当たる時間によって、-170℃から123℃までの範囲で変化します。 ピコ衛星が回転している場合は、熱分布が少し均等になりますが、これが想定される範囲です。 ピコ衛星は自転しているので、この範囲は幸いにも小さくなり (熱が分散して放散する時間があるため)、90 分の軌道で、3 つの範囲を循環させる必要があります。 必要であれば、ヒーターを追加することもできます。人工衛星は、機器や向きによってヒーターやクーラーを使用しています。
したがって、-40℃から100℃までをカバーする温度センサー（microDig Hotブランドのセンサーなど）で十分でしょう。 40℃から100℃の範囲は、測定可能な領域です。 いずれにせよ、この範囲を超えると、他の衛星の電子機器に支障をきたす可能性があります。 つまり、太陽がいつ見えるかというタイミングを測定するだけです。 光センサーの役割は、自転しながら太陽と闇のサイクルを捉えることと、軌道の昼夜サイクルを捉えることの2つでしょう。 衛星に多少の揺れがあっても大丈夫です。 これらの光センサーは、衛星の位置と転倒の基本的な指標を提供します。
LEO Magnetic Field
電離層は0.3～0.6ガウスのオーダーの電界強度で、5%の変動がある。 極軌道の場合、赤道軌道よりも変動が大きく、磁場も大きくなります（地球の磁力線が極付近で傾くため、オーロラが発生します）。 磁場の強さではなく、変動を測定したいのであれば、0.06～0.1ガウスの信号を捕らえる必要があるのです。 大きな外部磁場がなければ、10ドルのホール効果センサーとオペアンプで、0.06ガウスまでの変動を測定することができます。
粒子 (放射線) によるダメージはどうでしょうか。
使命期間が短い (3 か月未満) ので、累積ダメージについて心配する必要はありません。 私は学生時代に放射線損傷のモデルを作っていましたが、現代の電子機器は短い時間スケールで驚くほど堅牢であることがわかりました。 センサーやコンピューターを混乱させるようなシングルイベントアップセット（SEP）が主に発生しますが、100％のアップタイムは必要ないでしょうから、これは問題にはならないはずです。 むしろ、不具合によって得られるデータには興味深い特徴があります。 例えば、太陽嵐に遭遇した場合、センサーが飽和信号やスプリアス信号にどのように対処するかは興味深いところです。
そして最後に、知るべき最も重要なことですが、
What Is My Mission?
ピコ衛星に一体何をさせたいのでしょうか。 典型的なピコ衛星の選択肢を、科学ミッション、エンジニアリング・ミッション、芸術作品にきちんと分けることができます。 科学ミッションは、物体を計測します。 エンジニアリング・ミッションは、ハードウェアやソフトウェアをテストします。 アートプロジェクトは、高いコンセプトを実現するものです。 それぞれについて見ていきましょう。
科学！
科学ミッションでは、あなたのピコサテライトは何かを測定します。 科学とは、その根底に計測があるのです。 ポインティングミッション、インサイチュミッション、エンジニアリングビルドの3種類があります。 太陽、月、星、空の背景、地球など、興味のあるものにピコ衛星を向け、それを観測するのです。 地球を狙うにはライセンスが必要で、取得は困難ですが、ホビースペースではプライバシーが守られます。 サーベイモードを設定すれば、軌道上でピコ衛星に特定の方向を与え、軌道ごとに、予測可能な方法で空を横切るようにします。 あるいは、アクティブポインティングを行い、ピコサテライトを自分の好きな場所に向けることもできます。 自分の位置を非常に正確に知る必要があります。 慣性基準（初期軌道の知識と衛星がどのように移動しているかの内部予測）を使用することは、センサーによるポインティングの目的では不正確です。 そのため、ポインティングには通常、ある種の星追跡装置が必要です。 星追跡は技術的に複雑で、典型的なピコ衛星の重量や設計の制限を超える可能性があります。
より一般的なピコ衛星の科学の使い方は、その場での測定です。 これは、ポインティングを必要とせずに衛星がいる領域を測定するセンサーの使用です。 温度計は、その場測定の典型例です。 また、電離層の電場や磁場、太陽からの光や反射した地球の光、電離層密度の測定、軌道や位置の運動学（どのように動いているか）の追跡など、LEOからのその場での測定も可能です。
エンジニアリングです！
エンジニアリングピコ衛星は、新しい宇宙ハードウェアのコンセプトを試したり、既知の宇宙ハードウェアのバリエーションを自分で作る練習をしたりするためのプラットフォームとして使用します。 新しい電源システム、新しい測位方法、新しいタイプの無線またはリレー通信、新しいセンサーなど、衛星のあらゆるコンポーネントを作って改良することができます。
いくつかのピコ衛星プロジェクトではイオン エンジンから太陽帆まで新しい衛星推進概念を小規模でテストしています。 小型の膨張式宇宙ステーションをテストしたい、あるいは、広げて大きなハムラジオのバウンスポイントになるような超小型衛星を作りたいとお考えですか？ たとえば、カスタムの電子機器と市販の (COTS) コンポーネントを比較して、(あらゆるサイズの) 衛星をよりコスト効率よく作ることができるかどうかを確認することが挙げられます。 または、新しいデータ圧縮方法、または搭載された運用の代替方法をテストすることもできます。
運用におけるイノベーションは、さらに検討する価値のあるエンジニアリング目標のサブセットです。 1337＞運用の革新は、さらに検討する価値のある工学的目標の一部です。 軌道力学の研究の実験台にもなるし、衛星の協調運用のレッスンにもなる。
アートコンセプト！
最後に、コンセプトピースを紹介します。 私の「カリオペ計画」チューブサットは、電離層をその場で測定し、音楽として地球に送信するものです。 数値的なデータではなく、宇宙のリズムや活動度合いを返すことで、太陽地球系がどのような挙動を示すのか、感覚的にわかるようにするのが目的です。
衛星は何でも打ち上げられますから、何をするのにも使えますね。 遺灰を宇宙へ送る。 ヒマラヤの祈りの旗を打ち上げる。 チタンの結婚指輪を軌道に打ち上げる。 どんな芸術、音楽、芸術と音楽と科学のハイブリッドなアイデアでも、あなたの衛星だから歓迎されます。 ただ、自分の衛星を打ち上げることができるという見世物以上の目的や効用を与えてください。
Solve a Decadal Problem for All of Humanity
ここで、あなたに衛星を発明せよとの設計演習が行われます。 地球観測、太陽物理学、天文学、惑星科学の10年ごとの目標のうち1つを選び、小型衛星プラットフォーム（NASA SMEX以下）を使ってそのタスクを達成するためのミッションコンセプトを設計してください。 1337>
衛星を発明し、NASAに資金援助を求める5分間のピッチを作る。
- 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/
10年ごとの目標、地球観測からの一例としては、
氷床と海面が変動中、とかでしょうか。 グリーンランドや西南極などの主要な氷床は壊滅的に崩壊するのか、もしそうなら、それはどの程度の速度で起こるのか。 その結果、海面上昇はどのような時間パターンになるのでしょうか？
- ミッション概要図（タイプ/波長/目標/誰/軌道）
- これに取り組んだ過去のミッションの歴史
- 望ましい観測機器の配置のリスト
- 。
- 検出器ごとの分解能（空間、スペクトル、タイミング、明るさ）
- 類似ミッションとの比較/類推によるコスト見積もり
良いピッチを評価するには、以下を考慮します：
- 目標および衛星はもっともらしいかどうか。
- あなたのアプローチは、明らかにそのタスクに対して正しいアプローチと思われる。
これはビジネスと学術の両方の提案のスキルであり、あなたがそのタスクに対して正しい人物であると聴衆を説得するだけでなく、そのタスク自体がやる価値があることを説得しなければなりません！
自分のピコ衛星を作ることは単なる目的に対する手段ではなく、価値のあるゴールそのものなのです。 たとえ打ち上げないとしても、本物の衛星を自分で作ることで得られるスキルや経験は、素晴らしい体験になるでしょう。
この記事は、Sandy Antunes 氏による DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space から引用しています。 Surviving Orbit the DIY Way も含むこのシリーズは、これから宇宙船を作ろうとする人たちにとって、深く、使いやすいリソースであり、Maker Shed から makershed.com で入手できます。 シリーズ4作目「DIY Data Communication for Amateur Spacecraft（アマチュア宇宙船のためのデータ通信）」は今夏刊行予定です。