Alai

Al wat ik vraag is een succesvolle lancering, een zuiver radiosignaal, en een leven dat net lang genoeg is om dat doel te bereiken.

Als hoogteballonnen gewoon niet hoog genoeg zijn, als je gefrustreerd bent door het tempo van de ruimtevaartontwikkeling, of als je gewoon heel erg van raketten en hardware houdt, dan denk ik dat het lanceren van je eigen satelliet een uitstekende beslissing is. Maar eerst, wat wil je dat je satelliet doet? Hier zijn 7 belangrijke dingen die je moet weten voordat je je persoonlijke ruimteschip in een baan om de aarde lanceert tegen 17.000 mijl per uur.

Wat is een picosatelliet?

Picosatellieten zijn per definitie extreem kleine, lichte satellieten. Elke picosatelliet heeft meestal deze kerncomponenten:

• Een antenne
• Een radiozender voor het uplinken van commando’s of het downloaden van uw gegevens
• Een computer-op-een-chip zoals een Arduino of een Basic-X24
• Een voedingssysteem, meestal zonnecellen plus een batterij plus een stroombus
• Sensoren

De stamvader van de pico-klasse is de CubeSat, een open-source architectuur waarmee je alles wat je maar wilt in de 10cm × 10cm × 10cm kubus kunt stoppen.

De CubeSat is een satelliet zo schattig als een pompoen. Forbes berichtte over een verkoper, Pumpkin Inc, die kant-en-klare CubeSats levert. CubeSat zelf is een specificatie, niet een stuk van off-the-shelf hardware, dus Pumpkin besloten om kits voor te bouwen en ze te verkopen. Als je je eigen raket hebt om je CubeSat op te lanceren, verkopen ze je voor $7.500 een CubeSat-kit.

Dit loopt netjes parallel met de TubeSat van InterOrbital Systems. InterOrbital Systems (IOS) heeft het voordeel in prijs/prestatie, omdat zij de lancering voor dezelfde prijs in de aanbieding hebben. Maar het lijkt erop dat noch IOS noch Pumpkin premades leveren, alleen kits. Dus er is nog steeds hobbyistenwerk bij betrokken, maar kits nemen de noodzaak voor engineering weg en laten alleen het leuke deel van assemblage en integratie over.

TubeSats en CubeSats zijn natuurlijk lichtjes verschillend, en ik ben waanzinnig blij dat beide het idee van platformkits verder uitwerken. Dit is een geweldige stap in de commercialisering van ruimteonderzoek. Zelfs als de mini CubeSat griezelig veel lijkt op een Hellraiser Lemarchand doos.

Hoeveel kost het om te lanceren?

Als je een CubeSat bouwt, is het niet moeilijk om een raket te vinden om hem op te lanceren, alleen duur. Een typische CubeSat lancering kost naar schatting 40.000 dollar. Er zijn verschillende commerciële aanbieders die toekomstige CubeSat-raketten beloven, ervan uitgaande dat zij de ontwikkeling voltooien. Verschillende NASA- en Internationale ruimtestationprojecten aanvaarden voorstellen waarbij gebruik wordt gemaakt van de CubeSat-architectuur. Er komen elk jaar meer bedrijven bij in de particuliere lanceerwereld, dus de vooruitzichten voor het verkrijgen van een lancering worden steeds robuuster.

De TubeSat architectuur van InterOrbital Systems is een alternatief schema. Momenteel alleen ondersteund door InterOrbital, het is zeer kosteneffectief. Je krijgt de schema’s, de belangrijkste hardware componenten, en een lancering op hun nog in ontwikkeling zijnde raket voor de enkele prijs van $ 8.000. Een TubeSat maakt gebruik van een iets langere zeshoekige architectuur, 12 cm lang en 4 cm in diameter.

U kunt ook werken met een aangepaste architectuur als je toegang hebt tot een raketlancering (via een hogeschool of universiteit, misschien), maar momenteel zijn de primaire twee spelers zijn de open CubeSat spec en de particuliere TubeSat alternatief.

Where Is Orbit?

Waar zal uw picosatelliet naartoe gaan? Het is bijna vanzelfsprekend dat uw picosatelliet naar een lage baan om de aarde (LEO) gaat, een brede band variërend van ongeveer 150 km tot misschien wel 600 km. In dit gebied bevinden zich ook veel wetenschappelijke satellieten en het internationale ruimtestation (ISS). Het bevindt zich in en onder de ionosfeer, het zeer, zeer dunne deel van de atmosfeer dat ook samenvalt met een groot deel van het magnetisch veld van de aarde.

Het magnetisch veld van de aarde schermt ons af van de hevigste activiteit van de zon. Hoogenergetische deeltjes, zonnevlammen en coronale massa-ejecties (CME’s; in feite klodders zonnestuff) worden door het magnetisch veld weggeleid voordat ze de aarde kunnen bereiken. Waar de magnetische veldlijnen in de buurt van de polen dalen, komt deze energie tot uiting in het noorderlicht.

Boven de ionosfeer kan de ruimteomgeving vijandig zijn vanwege de zonneactiviteit. Daaronder zijn de stralingsrisico’s veel kleiner. Dat is de reden waarom het ISS in LEO wordt gehouden. LEO is in wezen zo veilig als de ruimte maar kan zijn. Het is ook waar uw picosatelliet waarschijnlijk zal leven.

Een typische LEO-baan heeft een periode van ongeveer 90 minuten. Dat wil zeggen, het draait rond de aarde eenmaal per 90 minuten, het doen van ongeveer 15 omwentelingen per dag. Banen kunnen worden geplaatst in de buurt van de evenaar van de aarde (equatoriale banen) of een lus van de Noordpool naar de Zuidpool (polaire banen). Evenzo kunnen banen bijna cirkelvormig zijn, of zeer excentrisch – aan de ene kant van de baan dichter bij de aarde komen, en aan de andere kant ver weg bewegen.

Hoe lang gaat mijn satelliet mee?

Jouw omloopbaan wordt volledig bepaald door wat je raketleverancier je heeft verkocht. Op het niveau van de hobbyist, zult u waarschijnlijk een standaard bijna cirkelvormige baan van 250 km krijgen, equatoriaal of polair. Zo’n omloopbaan duurt (door de weerstand van de ijle ionosfeer) 3 tot 16 weken voordat de satelliet een vurige terugkeer ondergaat.

Bij picosatellietmassa’s betekent dit dat je satelliet omhoog gaat en niet meer terugkomt. Je hebt minder dan drie maanden om gegevens te verzamelen. De picosatelliet zal dan, in wezen, netjes verdampen bij de terugkeer (geen risico op ruimteafval!)

Hoe is het weer daarboven?

LEO Condities en Levensvatbaarheid

De ionosfeer wordt zo genoemd omdat het een zeer dun plasma is van elektrisch geladen atomen (ionen) en elektronen, als gevolg van de ultraviolette (UV) straling van de Zon. Technisch gezien strekt de ionosfeer zich uit van ongeveer 50 km tot meer dan 1.000 km (bedankt Wikipedia!), maar LEO begint bij 150 km – daaronder kun je geen stabiele baan handhaven. De ionosfeer wordt, zoals gezegd, aangedreven door zonneactiviteit. Het gedeelte dat naar de zon gericht is, heeft meer ionisatie; ook kan zonneactiviteit het gedrag ervan sterk beïnvloeden. Er zijn ook dips in de magnetische veldlijn, wat leidt tot toename van straling op lagere hoogtes. We hebben de polen genoemd, en regio’s zoals de Zuid-Atlantische Anomalie (SAA) hebben ook veldlijnen die lager dalen.

Als je sensoren omhoog stuurt, wil je voor een paar dingen zorgen:

• Ze hebben een gevoeligheidsniveau dat past bij het signaalniveau dat je probeert te meten.
• Ze hebben een dynamisch bereik waarmee je zinvolle gegevens kunt extraheren.

LEO Temperaturen

Een metalen plaat in LEO varieert van -170°C tot 123°C, afhankelijk van de zonzijde en de tijd in het zonlicht. Als je picosatelliet ronddraait, zal dit de warmteverdeling een beetje uitvlakken, maar dat is het bereik waar je van uit moet gaan. Een baan heeft ongeveer de helft van zijn tijd in zonlicht en de andere helft in de schaduw van de aarde, dus het temperatuurgedrag is het modelleren waard.

Omdat de picosatelliet draait, is dit bereik gelukkig kleiner (omdat de warmte de tijd heeft om zich te verspreiden en af te voeren), en met een baan van 90 minuten, zou je door drie bereiken moeten gaan: te koud om te registreren; overgangsgebieden waar de sensor geldige, langzaam veranderende gegevens teruggeeft; en mogelijk oververzadiging aan het hoge eind. U kunt een verwarming toevoegen indien nodig-satellieten hebben verwarmers en koelers gebruikt, afhankelijk van het instrument en de facing.

Daarom zal een thermische sensor (zoals een microDig Hot merk sensor) die -40°C tot 100°C bestrijkt voldoende zijn. Het bereik van -40°C tot 100°C is een haalbaar gebied om te meten. Hoe dan ook, voorbij dat bereik kan de rest van de satellietelektronica problemen krijgen.

LEO Licht

Ook een licht-detecterende sensor, voor een draaiende picosatelliet, zal waarschijnlijk slechts een binair signaal terugzenden: super-heldere Zon in zicht en Zon niet in zicht. Het enige dat hij dus zal meten is het tijdstip waarop de zon in zicht is. De functie van de lichtsensoren zal grotendeels binair zijn, om zon-donkercycli op te vangen terwijl hij ronddraait, evenals de algehele dag/nacht-cyclus van de baan. Als de satelliet een beetje tuimelt, des te beter. Deze lichtsensoren zullen een basismeting van de positie en tuimeling van de satelliet geven. Als u werkelijke lichtniveaus wilt meten, moet uw ontwerp ervoor zorgen dat de zon uw detector niet verzadigt.

LEO Magnetisch Veld

De ionosfeer heeft een veldsterkte in de orde van 0,3-0,6 gauss, met schommelingen van 5%. Voor een polaire baan heb je grotere schommelingen en hogere magnetische velden dan voor een equatoriale baan (omdat de magnetische veldlijnen van de aarde bij de polen dalen, vandaar de aurora’s). Als je fluctuaties wilt meten, niet de veldsterkte, moet je 0,06-0,1 gaussignalen opvangen. Een Hall-effectsensor van $10 plus een op-amp kan variaties meten tot 0,06 gauss als er geen groot extern magnetisch veld is. Daaronder zal de ruis van je sensor circuits, niet de sensor, waarschijnlijk de beperkende factor zijn.

Hoe zit het met deeltjes (straling) schade?

De levensduur van de missie is kort (minder dan drie maanden), dus je hoeft je geen zorgen te maken over cumulatieve schade. Ik heb vroeger op school modellen gemaakt van stralingsschade, en het blijkt dat moderne elektronica verrassend robuust is op korte tijdschalen. Je zult vooral te maken krijgen met single-event upsets (SEP’s) die een sensor of computer door elkaar halen, maar aangezien je waarschijnlijk geen 100% uptime nodig hebt, zou dit geen probleem moeten zijn. In feite zullen storingen een interessant karakter geven aan uw afgeleide gegevens. Mocht je bijvoorbeeld een zonnestorm tegenkomen, dan is het interessant om te zien hoe de sensoren daarmee omgaan, hetzij met verzadiging, hetzij met valse signalen. Een proportionele teller of een ersatz equivalent (zoals een microDig Reach) kan deze deeltjestellingen meten.

En tenslotte, het belangrijkste om te weten:

Wat is mijn missie?

Wat wil je nu eigenlijk dat je picosatelliet doet? Je kunt de typische keuzes voor een picosatelliet netjes onderverdelen in wetenschappelijke missies, technische missies, en kunstwerken. Een wetenschappelijke payload meet dingen. Een engineering payload test hardware of software. Een kunstproject geeft gestalte aan een hoog concept. We zullen ze allemaal bekijken.

Wetenschap!

Op een wetenschappelijke missie zal je picosatelliet iets meten. Wetenschap gaat in de kern over meten. Er zijn drie soorten missies die je kunt doen: pointing, in-situ, en engineering builds.

Een pointing missie is als een telescoop. Je picosatelliet richt zich op een interessant object – de Zon, de Maan, sterren, de hemelachtergrond, of de Aarde – en observeert dat. Merk op dat voor richten op de Aarde een vergunning nodig is – niet moeilijk te krijgen, maar privacy is beschermd in hobby-ruimte.

Je kunt willekeurig richten, maar dat lijkt niet erg nuttig. Je kunt een overzichtsmodus instellen, waarbij je picosatelliet een specifieke oriëntatie in zijn baan krijgt, zodat hij bij elke omloop op een voorspelbare manier langs de hemel beweegt. Of je kunt actief richten, waarbij je de picosatelliet laat kijken waar je wilt.

Actief richten is een hele uitdaging. Je moet je positie zeer nauwkeurig weten. Het gebruik van traagheidsreferenties – kennis van de aanvankelijke baan plus interne voorspelling van hoe de satelliet beweegt – is onnauwkeurig voor het richten van sensoren. Daarom zijn voor het richten meestal een soort ster-trackers nodig. Dit zijn twee of meer breedveldtelescopen die de hemel afbeelden en deze vergelijken met een aan boord aanwezige catalogus van bekende heldere referentiesterren.

Het volgen van sterren is technisch ingewikkeld, en valt waarschijnlijk buiten de beperkingen van gewicht en ontwerp van een typische picosatelliet. Zie echter “Techniek!” hieronder, voor meer hierover.

Een meer gebruikelijke wetenschappelijke toepassing van picosatellieten zijn in-situ metingen. Dit is het gebruik van sensoren die het gebied meten waar de satelliet zich bevindt, zonder dat zij gericht hoeven te worden. Een thermometer is een perfect voorbeeld van een in-situ detector. Hij meet de temperatuur, en je hoeft hem niet precies te richten om te weten dat hij werkt.

Andere in-situ metingen vanaf LEO kunnen het elektrische en magnetische veld in de ionosfeer zijn, licht van de Zon of gereflecteerde aardgloed, het meten van de ionosferische dichtheid, of het volgen van de kinematica van je baan en positionering (hoe je beweegt).

Of misschien wil je niet iets wetenschappelijk meten, maar wil je gewoon dingen bouwen. Dat is engineering.

Engineering!

Een engineering picosatelliet gebruikt het platform om enkele nieuwe ruimte hardware concepten uit te proberen, of om je oefening te geven in het bouwen van je eigen varianten van bekende ruimte hardware.

Je kunt een picosatelliet maken om elk van de hardware componenten uit te testen. Een nieuw energiesysteem, een nieuwe positioneringsmethode, een nieuw type radio- of relaiscommunicatie, nieuwe sensoren – in feite kan elk onderdeel van de satelliet worden gebouwd en verbeterd.

Bij sommige picosatellietprojecten zijn op kleine schaal nieuwe satellietvoortstuwingsconcepten getest, variërend van ionenmotoren tot zonnezeilen. Wil je een opblaasbaar ruimtestation in het klein testen of wil je een picosatelliet maken die zich ontvouwt tot een groot stuiterpunt voor radioamateurs? Bouw het!

Een ander engineering motief kan zijn om specifieke componenten te testen: bijvoorbeeld het vergelijken van een op maat gemaakte elektronica installatie met een commerciële off-the-shelf (COTS) component om te zien of satellieten (van elke grootte) meer kosten-effectief kunnen worden gemaakt. Of je kunt nieuwe datacompressiemethoden testen of alternatieve methoden om operaties aan boord uit te voeren.

Innovatie in operaties is een subset van engineeringdoelen die het waard zijn verder te onderzoeken. Picosatellieten kunnen worden gebruikt om de coördinatie van een constellatie van satellieten te testen. Zij kunnen proefbanken zijn voor studies van orbitale mechanica, of lessen in gecoördineerde satellietoperaties. Als de goedkoopste manier om toegang tot de ruimte te krijgen, zijn zij uitstekende testbedden voor het prototypen van nieuwe manieren om satellietwerk te doen alvorens over te gaan naar miljoenen-dollar-missies.

Art Concept!

Ten slotte zijn er conceptstukken. Mijn eigen “Project Calliope” TubeSat verzamelt in-situ metingen van de ionosfeer en zendt ze naar de Aarde als muziek, een proces genaamd sonificatie. De bedoeling is om een gevoel te geven van het ritme en het activiteitenniveau van de ruimte, in plaats van numerieke gegevens, zodat we een idee krijgen van hoe het zon-aarde systeem zich gedraagt.

Je kunt een satelliet lanceren om van alles te doen. As naar de ruimte sturen. Een gebedsvlag uit de Himalaya opsturen. Je titanium trouwring in een baan om de aarde brengen. Alle kunst, muziek, of kunst/muziek/wetenschap hybride ideeën zijn welkom, want het is jouw satelliet. Geef het alleen een doel of nut dat verder gaat dan alleen het spektakel van het kunnen lanceren van je eigen satelliet.

Solve a Decadal Problem for All of Humanity

Hier volgt een ontwerpopgave waarin je wordt gevraagd een satelliet uit te vinden. Het gaat er niet om of je kunt bouwen, maar of je een idee kunt bedenken en uitwerken dat de moeite van het bouwen waard is.

Kies een van de decadale doelen voor aardobservatie, heliofysica, astronomie of planeetwetenschap, en ontwerp een missieconcept om die taak te vervullen met behulp van een klein satellietplatform-NASA SMEX of kleiner.

Bedenk je satelliet en maak een pitch van vijf minuten die je aan NASA zou presenteren om financiering te vragen. Beperk je tot een satelliet met één of twee (hooguit) instrumenten. Hier zijn enkele decadale referentielinks:

• 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/

Een voorbeeld van een decadaal doel, van aardobservatie, zou kunnen zijn:

Veranderende ijskappen en zeespiegel. Zal er een catastrofale ineenstorting plaatsvinden van de grote ijskappen, met inbegrip van die van Groenland en West-Antarctica, en zo ja, hoe snel zal dit gebeuren? Wat zullen de tijdspatronen zijn van de zeespiegelstijging als gevolg daarvan?

Een goede pitch zou kunnen bevatten:

• Een missie samenvattingsgrafiek (type/golflengte/doel/wie/omloopbaan)
• Geschiedenis van eerdere missies die dit hebben aangepakt
• Lijst van gewenste instrument loadout: welke instrumenttypes en wat ze elk meten plus of het al dan niet focusserende optiek nodig heeft
• Bereik van resolutie per detector (ruimtelijk, spectraal, timing, helderheid)
• Kostenraming, gebaseerd op vergelijking/analogie met soortgelijke missies

Om een goed veld te evalueren, overweeg je of:

• Jouw doel en satelliet plausibel zijn.
• Jouw aanpak lijkt duidelijk de juiste aanpak voor de taak.

Dit is de vaardigheid van zowel zakelijke als academische voorstellen, waar je niet alleen het publiek moet overtuigen dat je de juiste persoon bent voor de taak, maar ook dat de taak zelf de moeite waard is om te doen.

Het bouwen van je eigen picosatelliet is niet alleen een middel om een doel te bereiken, maar een waardevol doel op zich. Zelfs als je hem nooit lanceert, kunnen de vaardigheden en ervaring die je opdoet bij het maken van je eigen echte satelliet een geweldige ervaring zijn.

Dit artikel is overgenomen uit DIY Satellite Platforms en DIY Instruments for Amateur Space van Sandy Antunes. Deze serie, die ook Surviving Orbit the DIY Way bevat, is een diepgaande en gebruikersvriendelijke bron voor would-be ruimtevaartuig bouwers, verkrijgbaar bij de Maker Shed op makershed.com. Kijk uit naar het vierde boek in de serie, DIY Datacommunicatie voor Amateur Ruimtevaartuigen, komende zomer.