Alai

Wszystko, o co proszę, to udany start, czysty sygnał radiowy i życie wystarczająco długie, by osiągnąć ten cel.

Jeśli balony na dużych wysokościach nie są wystarczająco wysokie, jeśli czujesz się sfrustrowany tempem rozwoju przestrzeni kosmicznej lub jeśli po prostu naprawdę lubisz rakiety i sprzęt, myślę, że uruchomienie własnego satelity to doskonała decyzja. Ale najpierw, co chcesz, żeby twój satelita robił? Oto 7 kluczowych rzeczy, które musisz wiedzieć, zanim wystrzelisz swój osobisty statek kosmiczny na orbitę z prędkością 17 000 mil na godzinę.

Czym jest pikosatelita?

Pikosatelity, z definicji, są niezwykle małymi, lekkimi satelitami. Każdy pikosatelita będzie miał te podstawowe komponenty:

• Antena
• Nadajnik radiowy do wysyłania poleceń lub pobierania danych
• Komputer-on-a-chip, taki jak Arduino lub Basic-X24
• System zasilania, najczęściej ogniwa słoneczne plus akumulator plus magistrala energetyczna
• Czujniki

Protoplastą klasy pico jest CubeSat, architektura open source, która pozwala zapakować wszystko, co chcesz, do sześcianu o wymiarach 10 cm × 10 cm × 10 cm.

CubeSat jest satelitą tak słodkim jak dynia. Forbes donosi o jednym dostawcy, Pumpkin Inc, który dostarcza wstępnie przygotowane CubeSats. CubeSat sam jest specyfikacja, a nie kawałek off-the-shelf sprzętu, więc Pumpkin postanowił prebuild zestawy i sprzedawać je. Jeśli masz własną rakietę, aby uruchomić swój CubeSat na, za $7,500 będą sprzedawać Ci zestaw CubeSat.

To zgrabnie paralela InterOrbital Systems „TubeSat. InterOrbital Systems (IOS) ma przewagę w kategorii cena/wydajność, ponieważ wrzucają start za tę samą cenę. Ale wygląda na to, że ani IOS ani Pumpkin nie dostarczają prefabrykatów, tylko zestawy. Więc nadal jest to praca dla hobbystów, ale zestawy eliminują potrzebę inżynierii i pozostawiają tylko część zabawy związaną z montażem i integracją.

TubeSat i CubeSat są oczywiście nieco inne, i jestem szalenie zadowolony, że oba rozwijają ideę zestawów platformowych. To wielki krok w utowarowieniu badań kosmicznych. Nawet jeśli mini CubeSat wygląda bardzo podobnie do Hellraiser Lemarchand box.

How Much Does It Cost to Launch?

Jeśli zbudować CubeSat, zabezpieczenie rakiety do uruchomienia go na nie jest trudne, tylko drogie. Typowy koszt wystrzelenia CubeSata szacuje się na 40 000 dolarów. Istnieje kilka komercyjnych dostawców obiecujących przyszłe rakiety CubeSat, zakładając, że zakończą rozwój. Różne projekty NASA i Międzynarodowej Stacji Kosmicznej akceptują niektóre propozycje wykorzystujące architekturę CubeSat. Każdego roku przybywa firm wchodzących w prywatny biznes startowy, więc perspektywy uzyskania startu stają się coraz bardziej solidne.

Architektura TubeSat firmy InterOrbital Systems jest alternatywnym schematem. Obecnie wspierana tylko przez InterOrbital, jest bardzo opłacalna. Otrzymujesz schematy, główne komponenty sprzętowe i start na ich wciąż rozwijanej rakiecie za jednorazową cenę 8000 dolarów. TubeSat używa nieco dłuższej sześciokątnej architektury, 12 cm długości i 4 cm średnicy.

Możesz również pracować z niestandardową architekturą, jeśli masz dostęp do startu rakiety (przez college lub uniwersytet, być może), ale obecnie główni dwaj gracze to otwarta specyfikacja CubeSat i prywatna alternatywa TubeSat.

Gdzie jest orbita?

Gdzie poleci twój pikosatelita? To prawie oczywiste, że twój pikosatelita trafi na niską orbitę okołoziemską (LEO), szeroki zakres od około 150 km do być może 600 km. Jest to region, w którym znajduje się również wiele satelitów naukowych i Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS). Znajduje się on w i poniżej jonosfery, bardzo, bardzo cienkiej części atmosfery, która pokrywa się również z dużą częścią ziemskiego pola magnetycznego.

Ziemskie pole magnetyczne osłania nas przed najbardziej gwałtowną aktywnością Słońca. Cząstki wysokoenergetyczne, rozbłyski i koronalne wyrzuty masy (CME; w zasadzie plamy materiału słonecznego) są odrzucane przez pole magnetyczne zanim dotrą do ziemi. Tam, gdzie linie pola magnetycznego zanurzają się w pobliżu biegunów, energia ta wyraża się jako zorza.

Powyżej jonosfery środowisko kosmiczne może być nieprzyjazne z powodu aktywności słonecznej. Poniżej niej ryzyko promieniowania jest znacznie mniejsze. Dlatego właśnie ISS jest utrzymywana w LEO. LEO jest, w sercu, o tak bezpieczne, jak przestrzeń może dostać. Jest to również, gdzie twój pikosatelita jest prawdopodobne, aby żyć.

Typowa orbita LEO ma około 90-minutowy okres. Oznacza to, że obraca się wokół Ziemi raz na 90 minut, wykonując około 15 orbit dziennie. Orbity mogą być umieszczone w pobliżu równika ziemskiego (orbity równikowe) lub zapętlać się od bieguna północnego do południowego (orbity polarne). Podobnie, orbity mogą być prawie okrągły, lub być bardzo ekscentryczne-przybliża się do Ziemi na jednym końcu orbity, a następnie przesuwając daleko w innym.

Jak długo będzie mój satelita Last?

Twoja orbita jest całkowicie określona przez co twój dostawca rakiet sprzedał ci. Na poziomie hobbystów, masz zamiar najprawdopodobniej dostać standardowy 250 km lub tak prawie okrągłej orbicie, albo równikowej lub polarnej. Taka orbita trwa (z powodu oporu przez napiętej jonosfery) od 3 do 16 tygodni, zanim satelita będzie cierpieć ognisty reentry.

Na masach pikosatelitarnych, oznacza to, że twój satelita pójdzie w górę i nie wróci. Masz mniej niż trzy miesiące, aby zebrać dane. Pikosatelita wtedy, zasadniczo, wyparuje po wylądowaniu (brak ryzyka związanego ze śmieciami kosmicznymi!)

Jaka jest tam pogoda?

Warunki i rentowność LEO

Jonosfera jest tak nazywana, ponieważ jest to bardzo cienka plazma elektrycznie naładowanych atomów (jonów) i elektronów, spowodowana promieniowaniem ultrafioletowym (UV) ze Słońca. Technicznie rozciąga się ona od około 50km do ponad 1000km (dzięki Wikipedia!), ale LEO zaczyna się od 150km – poniżej tej wysokości nie da się utrzymać stabilnej orbity. Jonosfera, jak wspomniano, jest napędzana przez aktywność słoneczną. Część zwrócona w stronę Słońca jest bardziej zjonizowana; również aktywność słoneczna może silnie wpływać na jej zachowanie. Występują również spadki w linii pola magnetycznego, co prowadzi do wzrostu promieniowania na niższych wysokościach. Wspomnieliśmy już o biegunach, a regiony takie jak Anomalia Południowoatlantycka (SAA) również mają linie pola, które opadają niżej.

Jeśli wysyłasz czujniki w górę, chcesz się upewnić, że kilka rzeczy:

• Mają one poziom czułości odpowiedni do poziomu sygnału, który próbujesz zmierzyć.
• Mają zakres dynamiczny, który pozwala na wyodrębnienie znaczących danych.

Temperatury LEO

Płytka metalowa na LEO będzie się wahać od -170°C do 123°C w zależności od jej tarczy słonecznej i czasu przebywania w świetle słonecznym. Jeśli twój pikosatelita się kręci, to wyrówna to trochę rozkład ciepła, ale to jest zakres, który należy założyć. Orbita ma w przybliżeniu połowę czasu w świetle słonecznym, a drugą połowę w cieniu Ziemi, więc zachowanie temperatury jest warte modelowania.

Ponieważ pikosatelita się obraca, ten zakres jest na szczęście mniejszy (ponieważ ciepło ma czas na dystrybucję i rozpraszanie), a przy orbicie 90-minutowej, powinieneś przechodzić przez trzy zakresy: zbyt zimno, aby się zarejestrować; regiony przejściowe, w których czujnik zwraca ważne, powoli zmieniające się dane; i prawdopodobnie przesycenie na wysokim końcu. Możesz dodać grzałkę, jeśli to konieczne – satelity używały grzałek i chłodziarek w zależności od instrumentu i otoczenia.

Dlatego wystarczy czujnik termiczny (jak czujnik marki microDig Hot), który obejmuje zakres od -40°C do 100°C. Zakres od -40°C do 100°C jest realnym obszarem do pomiaru. W każdym razie, poza tym zakresem, reszta elektroniki satelity może mieć problemy.

LEO Light

Podobnie, czujnik wykrywający światło, dla wirującego pikosatelity, prawdopodobnie zwróci tylko sygnał binarny: super jasne Słońce w polu widzenia i Słońce nie w polu widzenia. Zatem wszystko, co będzie mierzył, to czas, kiedy Słońce jest w polu widzenia. Funkcja czujników światła będzie w dużej mierze binarna, aby uchwycić cykle Słońce-ciemność, gdy orbita się obraca, jak również ogólny cykl dzień/noc orbity. Jeśli satelita będzie lekko podskakiwał, tym lepiej. Te czujniki światła zapewni podstawową miarę pozycji satelity i tumbling. Jeśli chcesz mierzyć rzeczywiste poziomy światła, twój projekt będzie musiał zapewnić, że Słońce nie nasyci twojego detektora.

LEO Pole magnetyczne

Jonosfera ma natężenie pola rzędu 0,3-0,6 gaussa, z fluktuacjami rzędu 5%. Dla orbity polarnej, będziesz miał większą zmienność i wyższe pola magnetyczne niż orbita równikowa (ponieważ linie pola magnetycznego Ziemi zanurzają się w pobliżu biegunów, stąd zorze). Jeśli chcesz mierzyć fluktuacje, a nie natężenie pola, musisz uchwycić sygnały o wartości 0,06-0,1 gaussa. Czujnik hallotronowy za 10$ plus op-amp może zmierzyć wahania nawet do 0,06 gaussa, jeśli nie ma dużego zewnętrznego pola magnetycznego. Poniżej tego czynnikiem ograniczającym będzie prawdopodobnie szum w obwodach czujnika, a nie sam czujnik.

Co z uszkodzeniem cząsteczkowym (radiacyjnym)?

Życie misji jest krótkie (mniej niż trzy miesiące), więc nie musisz się martwić o uszkodzenia kumulacyjne. W szkole zajmowałem się modelami uszkodzeń radiacyjnych i okazuje się, że współczesna elektronika jest zaskakująco wytrzymała w krótkich skalach czasowych. Przede wszystkim będziesz miał do czynienia z pojedynczymi awariami (SEP), które zakłócają pracę czujnika lub komputera, ale ponieważ prawdopodobnie nie potrzebujesz 100% czasu sprawności, nie powinno to stanowić problemu. W rzeczywistości usterki dodadzą interesującego charakteru Twoim danym pochodnym. Jeśli napotkasz, powiedzmy, burzę słoneczną, interesujące będzie zobaczyć jak czujniki sobie z tym poradzą, albo z nasyceniem, albo z fałszywymi sygnałami. Licznik proporcjonalny lub jego ersatz (jak microDig Reach) może zmierzyć ilość tych cząstek.

I wreszcie najważniejsza rzecz, którą musisz wiedzieć:

Jaka jest moja misja?

Co do cholery chcesz, aby Twój pikosatelita robił? Można zgrabnie podzielić typowe wybory pikosatelitów na misje naukowe, inżynieryjne i dzieła sztuki. Ładunek naukowy mierzy rzeczy. Ładunek inżynieryjny testuje sprzęt lub oprogramowanie. Projekt artystyczny jest realizacją ambitnego pomysłu. Odwiedzimy każdą z nich.

Nauka!

W misji naukowej wasz pikosatelita będzie coś mierzył. Nauka w swej istocie opiera się na pomiarach. Istnieją trzy rodzaje misji, które możesz wykonać: misje celownicze, in-situ i inżynieryjne.

Misja celownicza jest jak teleskop. Twój pikosatelita wskazuje na obiekt zainteresowania – Słońce, Księżyc, gwiazdy, tło nieba lub Ziemię – i obserwuje go. Zauważ, że wskazywanie na Ziemię wymaga licencji – nie trudno ją zdobyć, ale prywatność jest chroniona w przestrzeni hobbystycznej.

Możesz wskazywać losowo, ale to nie wydaje się zbyt użyteczne. Możesz ustawić tryb przeglądowy, w którym twój pikosatelita ma określoną orientację na swojej orbicie, tak aby na każdej orbicie przemierzał niebo w przewidywalny sposób. Możesz też wykonać aktywne wskazywanie, sprawiając, że pikosatelita będzie patrzył tam, gdzie chcesz.

Aktywne wskazywanie jest dość trudne. Musisz znać swoją pozycję bardzo dokładnie. Korzystanie z inercyjnych odniesień – znajomość początkowej orbity plus wewnętrzne przewidywanie, jak satelita podróżuje – jest niedokładne dla celów wskazywania czujnika. W związku z tym, wskazywanie pozycji zazwyczaj wymaga zastosowania pewnego rodzaju trackerów gwiazdowych. Są to dwa lub więcej teleskopów o szerokim polu widzenia, które obrazują niebo i porównują je z pokładowym katalogiem znanych jasnych gwiazd odniesienia.

Śledzenie gwiazd jest technicznie skomplikowane i prawdopodobnie wykracza poza wagę i ograniczenia konstrukcyjne typowego pikosatelity. Jednakże, patrz „Inżynieria!” poniżej, aby dowiedzieć się więcej na ten temat.

Najczęstszym zastosowaniem nauki pikosatelitarnej są pomiary in-situ. Jest to użycie czujników, które mierzą region, w którym znajduje się satelita, bez konieczności celowania. Termometr jest doskonałym przykładem detektora in-situ. Mierzy temperaturę i nie trzeba go dokładnie wycelować, aby wiedzieć, że działa.

Inne pomiary in-situ z LEO mogą obejmować pole elektryczne i magnetyczne w jonosferze, światło słoneczne lub odbitą poświatę Ziemi, pomiar gęstości jonosfery lub śledzenie kinematyki orbity i pozycjonowanie (jak się poruszasz).

A może nie chcesz mierzyć czegoś naukowo, chcesz po prostu budować rzeczy. To właśnie jest inżynieria.

Inżynieria!

Pikosatelita inżynieryjny wykorzystuje platformę do wypróbowania nowych koncepcji sprzętu kosmicznego lub daje praktykę w budowaniu własnych wariantów znanego sprzętu kosmicznego.

Możesz zrobić pikosatelitę, aby przetestować dowolny z komponentów sprzętowych. Nowy system zasilania, nowa metoda pozycjonowania, nowy typ łączności radiowej lub przekaźnikowej, nowe czujniki – naprawdę każdy element satelity może zostać zbudowany i ulepszony.

Niektóre projekty pikosatelitarne polegały na testowaniu – w małej skali – nowych koncepcji napędu satelity, od silników jonowych po żagle słoneczne. Chcesz przetestować nadmuchiwaną stację kosmiczną w miniaturze lub sprawdzić, czy potrafisz stworzyć pikosatelitę, który rozkłada się, tworząc duży punkt odbijania fal radiowych? Zbuduj to!

Innym motywem inżynieryjnym może być testowanie konkretnych komponentów: na przykład porównanie niestandardowego zestawu elektroniki z komercyjnym komponentem z półki (COTS), aby sprawdzić, czy satelity (dowolnego rozmiaru) mogą być bardziej opłacalne. Można też przetestować nowe metody kompresji danych lub alternatywne metody wykonywania operacji pokładowych.

Innowacje w zakresie operacji są podzbiorem celów inżynieryjnych, które warto dalej badać. Pikosatelity mogą być używane do testowania koordynacji konstelacji satelitów. Mogą być poligonami doświadczalnymi dla badań mechaniki orbitalnej, lub lekcjami skoordynowanych operacji satelitarnych. Jako najtańszy sposób uzyskania dostępu do przestrzeni kosmicznej, są one doskonałymi poligonami doświadczalnymi dla prototypów nowych sposobów wykonywania pracy satelitarnej przed przejściem do misji wartych miliony dolarów.

Koncepcja artystyczna!

Na koniec, są prace koncepcyjne. Mój własny TubeSat „Project Calliope” zbiera pomiary in-situ jonosfery i przekazuje je na Ziemię jako muzykę, proces zwany sonifikacją. Intencją jest zwrócenie poczucia rytmu i poziomu aktywności w przestrzeni, a nie danych liczbowych, dzięki czemu możemy uzyskać poczucie tego, jak zachowuje się układ Słońce-Ziemia.

Możesz wystrzelić satelitę, aby zrobić cokolwiek. Wysłać prochy w kosmos. Wysłać w górę himalajską flagę modlitewną. Wystrzelić na orbitę swoją tytanową obrączkę ślubną. Każdy pomysł związany ze sztuką, muzyką lub hybrydą sztuki/muzyki/nauki jest mile widziany, ponieważ to twój satelita. Wystarczy nadać mu cel lub użyteczność wykraczającą poza sam spektakl możliwości wystrzelenia własnego satelity.

Rozwiąż problem dekadowy dla całej ludzkości

Oto ćwiczenie projektowe, w którym należy wynaleźć satelitę. Nie chodzi o to, czy potrafisz zbudować, ale o to, czy potrafisz wymyślić i nakreślić pomysł, który jest wart zbudowania w pierwszej kolejności.

Wybierz jeden z celów dekadowych dla obserwacji Ziemi, heliofizyki, astronomii lub nauki o planetach i zaprojektuj koncepcję misji, która wypełni to zadanie używając małej platformy satelitarnej – NASA SMEX lub mniejszej.

Wymyśl swojego satelitę i zrób pięciominutową prezentację, którą przedstawisz NASA prosząc o fundusze. Ogranicz się do satelity z jednym lub dwoma (najwyżej) instrumentami. Oto kilka dekadowych linków referencyjnych:

• 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/

Jednym z przykładów celu dekadowego, z obserwacji Ziemi, może być:

Zmiana pokrywy lodowej i poziomu morza. Czy nastąpi katastrofalne załamanie głównych lądolodów, w tym Grenlandii i Antarktydy Zachodniej, a jeśli tak, to jak szybko to nastąpi? Jakie będą wzorce czasowe podnoszenia się poziomu morza w wyniku tego zjawiska?

Dobry plan może zawierać:

• Szablon podsumowujący misję (typ/długość fali/cel/kto/orbita)
• Historia wszelkich poprzednich misji, które się tym zajmowały
• Lista pożądanego obciążenia instrumentami: Jakie typy instrumentów i co każdy z nich mierzy oraz czy potrzebuje optyki skupiającej
• Zakres rozdzielczości na detektor (przestrzenny, spektralny, czasowy, jasność)
• Oszacowanie kosztów, oparte na porównaniu/analogii do podobnych misji

Aby ocenić dobry plan, rozważ czy:

• Twój cel i satelita są prawdopodobne.
• Twoje podejście wydaje się być właściwe dla zadania.

To jest umiejętność zarówno propozycji biznesowych, jak i akademickich, gdzie musisz nie tylko przekonać publiczność, że jesteś właściwą osobą do wykonania zadania, ale także, że samo zadanie jest warte wykonania!

Zbudowanie własnego pikosatelity nie jest tylko środkiem do celu, ale wartym zachodu celem samym w sobie. Nawet jeśli nigdy go nie wystrzelisz, umiejętności i doświadczenie, które zdobędziesz podczas tworzenia własnego prawdziwego satelity mogą być wspaniałym doświadczeniem.

Ten artykuł został zaadaptowany z DIY Satellite Platforms i DIY Instruments for Amateur Space autorstwa Sandy Antunes. Ta seria, która zawiera również Surviving Orbit the DIY Way, jest głębokim i przyjaznym dla użytkownika zasobem dla niedoszłych konstruktorów statków kosmicznych, dostępnym z Maker Shed na makershed.com. Oczekuj czwartej książki w serii, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, nadchodzącej tego lata.