Alai

Tot ce cer este o lansare reușită, un semnal radio curat și o viață suficient de lungă pentru a atinge acest obiectiv.

Dacă baloanele de mare altitudine nu sunt suficient de înalte, dacă te simți frustrat de ritmul de dezvoltare a spațiului sau dacă pur și simplu îți plac foarte, foarte mult rachetele și hardware-ul, cred că lansarea propriului tău satelit este o decizie excelentă. Dar, mai întâi, ce vrei să facă satelitul tău? Iată 7 lucruri cheie pe care trebuie să le știți înainte de a vă lansa nava spațială personală pe orbită la 17.000 de mile pe oră.

Ce este un Picosatelit?

Picosateliții, prin definiție, sunt sateliți extrem de mici și ușori. Orice picosatelit va tinde să aibă aceste componente de bază:

• O antenă
• Un emițător radio pentru comenzile de uplinking sau pentru descărcarea datelor
• Un calculator pe un cip, cum ar fi un Arduino sau un Basic-X24
• Un sistem de alimentare, cel mai adesea celule solare plus o baterie plus o magistrală de alimentare
• Senzori

Progenitorul clasei pico este CubeSat, o arhitectură open source care vă permite să împachetați orice doriți în cubul de 10 cm × 10 cm × 10 cm.

CubeSat este un satelit la fel de drăguț ca un dovleac. Forbes a relatat despre un furnizor, Pumpkin Inc. care furnizează CubeSat-uri prefabricate. CubeSat în sine este o specificație, nu o piesă de hardware din comerț, așa că Pumpkin a decis să pre-construiască kituri și să le vândă. Dacă aveți propria rachetă pe care să vă lansați CubeSat-ul, pentru 7.500 de dolari vă vor vinde un kit CubeSat.

Acest lucru este perfect paralel cu TubeSat al InterOrbital Systems. InterOrbital Systems (IOS) are un avantaj în ceea ce privește raportul preț/performanță, deoarece ei includ și lansarea pentru același cost. Dar se pare că nici IOS, nici Pumpkin nu oferă prematuri, ci doar kituri. Așadar, există în continuare muncă de hobbyist, dar kiturile elimină nevoia de inginerie și lasă doar partea distractivă a asamblării și integrării.

TubeSat și CubeSat sunt ușor diferite, desigur, și sunt nespus de mulțumit că ambele avansează ideea de kituri de platformă. Acesta este un mare pas înainte în calea commodificării cercetării spațiale. Chiar dacă mini CubeSat-ul arată ciudat de asemănător cu o cutie Hellraiser Lemarchand.

Cât costă lansarea?

Dacă construiți un CubeSat, asigurarea unei rachete pe care să îl lansați nu este dificilă, ci doar costisitoare. Un cost tipic de lansare a unui CubeSat este estimat la 40.000 de dolari. Există mai mulți furnizori comerciali care promit viitoare rachete CubeSat, presupunând că vor finaliza dezvoltarea. Diverse proiecte ale NASA și ale Stației Spațiale Internaționale acceptă unele propuneri care utilizează arhitectura CubeSat. În fiecare an, tot mai multe companii intră în domeniul lansărilor private, astfel încât perspectivele de a obține o lansare devin tot mai solide.

Arhitectura TubeSat de la InterOrbital Systems este o schemă alternativă. În prezent este susținută doar de InterOrbital, este foarte rentabilă. Primești schemele, principalele componente hardware și o lansare cu racheta lor încă în curs de dezvoltare la prețul unic de 8.000 de dolari. Un TubeSat folosește o arhitectură hexagonală puțin mai lungă, cu o lungime de 12 cm și un diametru de 4 cm.

Puteți lucra, de asemenea, cu o arhitectură personalizată dacă aveți acces la o rachetă de lansare (prin intermediul unui colegiu sau al unei universități, poate), dar, în prezent, cei doi jucători principali sunt specificația deschisă CubeSat și alternativa privată TubeSat.

Unde este orbita?

Unde va merge picosatelitul dumneavoastră? Este aproape de la sine înțeles că picosatelitul dvs. va merge pe orbita joasă a Pământului (LEO), o bandă largă care variază de la aproximativ 150 km până la poate 600 km. Aceasta este regiunea în care se află, de asemenea, mulți sateliți științifici și Stația Spațială Internațională (ISS). Se află în și sub ionosferă, partea foarte, foarte subțire a atmosferei care coincide, de asemenea, cu o mare parte din câmpul magnetic al Pământului.

Câmpul magnetic al Pământului ne protejează de cea mai aprigă activitate a Soarelui. Particulele de înaltă energie, emisiile de erupții și ejecțiile de masă coronală (CME; practic, pete de materie solară) sunt deviate de câmpul magnetic înainte de a ajunge la sol. Acolo unde liniile câmpului magnetic coboară în apropierea polilor, această energie se exprimă sub forma aurorei.

Deasupra ionosferei, mediul spațial poate fi ostil din cauza activității solare. Sub ea, riscurile de radiații sunt mult mai mici. Acesta este motivul pentru care ISS este menținută în LEO. LEO este, în fond, cât se poate de sigur pentru spațiu. Este, de asemenea, locul în care este probabil să trăiască picosatelitul dumneavoastră.

O orbită LEO tipică are o perioadă de aproximativ 90 de minute. Adică, se rotește în jurul Pământului o dată la 90 de minute, făcând aproximativ 15 orbite pe zi. Orbitele pot fi poziționate în apropierea ecuatorului Pământului (orbite ecuatoriale) sau în buclă de la Polul Nord la Polul Sud (orbite polare). În mod similar, orbitele pot fi aproape circulare sau pot fi foarte excentrice – apropiindu-se mai mult de Pământ la un capăt al orbitei și apoi îndepărtându-se mult la celălalt.

Cât timp va dura satelitul meu?

Orbita ta este determinată în întregime de ceea ce ți-a vândut furnizorul tău de rachete. La nivel de hobbyist, cel mai probabil veți obține o orbită standard aproape circulară de aproximativ 250 km, fie ecuatorială, fie polară. O astfel de orbită durează (din cauza rezistenței datorate ionosferei subțiri) între 3 și 16 săptămâni înainte ca satelitul să sufere o reintrare incendiară.

La masele picosatelitului, acest lucru înseamnă că satelitul dvs. se va înălța și nu se va mai întoarce. Aveți la dispoziție mai puțin de trei luni pentru a aduna date. Picosatelitul se va vaporiza apoi, în esență, în mod curat la reintrare (fără risc de gunoi spațial!)

Cum este vremea acolo sus?

Condiții și viabilitate ale OLEO

Ionosfera se numește astfel deoarece este o plasmă foarte subțire de atomi (ioni) și electroni încărcați electric, datorită radiației ultraviolete (UV) de la Soare. Din punct de vedere tehnic, se întinde de la aproximativ 50 km până la peste 1.000 km (mulțumim Wikipedia!), dar LEO începe la 150 km – sub această distanță, nu se poate menține o orbită stabilă. După cum am menționat, ionosfera este determinată de activitatea solară. Porțiunea orientată spre Soare are mai multă ionizare; de asemenea, activitatea solară îi poate determina puternic comportamentul. Există, de asemenea, picaje în linia câmpului magnetic, ceea ce duce la creșterea radiațiilor la altitudini mai mici. Am menționat polii, iar regiuni precum Anomalia Sud-Atlantică (SAA) au, de asemenea, linii de câmp care se scufundă mai jos.

Dacă trimiteți senzori în sus, veți dori să vă asigurați de câteva lucruri:

• Aceștia au un nivel de sensibilitate adecvat nivelului de semnal pe care încercați să îl măsurați.
• Au un domeniu dinamic care vă permite să extrageți date semnificative.

Temperaturi LEO

O placă metalică în LEO va avea un ciclu de la -170°C la 123°C în funcție de fața sa solară și de timpul petrecut în lumina soarelui. Dacă picosatelitul dvs. se rotește, acest lucru va uniformiza puțin distribuția căldurii, dar acesta este intervalul pe care trebuie să îl presupunem. O orbită are aproximativ jumătate din timpul petrecut la lumina Soarelui și cealaltă jumătate la umbra Pământului, astfel încât comportamentul temperaturii merită să fie modelat.

Din moment ce picosatelitul se rotește, acest interval este din fericire mai mic (deoarece căldura are timp să se distribuie și să se disipeze), iar cu o orbită de 90 de minute, ar trebui să ciclați prin trei intervale: prea rece pentru a înregistra; regiuni de tranziție în care senzorul returnează date valide, care se schimbă încet; și, eventual, suprasaturare la limita superioară. Puteți adăuga un încălzitor dacă este necesar – sateliții au folosit încălzitoare și răcitoare în funcție de instrument și de confruntare.

De aceea, un senzor termic (cum ar fi un senzor de marcă microDig Hot) care acoperă de la -40°C până la 100°C va fi suficient. Intervalul de la -40°C la 100°C este o zonă fezabilă pentru măsurare. În orice caz, dincolo de acest interval, restul componentelor electronice ale satelitului ar putea avea probleme.

LEO Lumină

În mod similar, un senzor de detectare a luminii, pentru un picosatelit care se rotește, este probabil să returneze doar un semnal binar: Soare super-luminos la vedere și Soare care nu este la vedere. Așadar, tot ceea ce va măsura este momentul în care Soarele este la vedere. Funcția senzorilor de lumină va fi în mare parte binară, pentru a surprinde ciclurile Soare-întuneric pe măsură ce se rotește, precum și ciclul general zi/noapte al orbitei. Dacă satelitul va suferi o ușoară tumoare, cu atât mai bine. Acești senzori de lumină vor oferi o măsurătoare de bază a poziției și a rostogolirii satelitului. Dacă doriți să măsurați nivelurile reale de lumină, designul dvs. va trebui să se asigure că Soarele nu vă saturează detectorul.

Câmp magnetic LEO

Ionosfera are o intensitate a câmpului de ordinul a 0,3-0,6 gauss, cu fluctuații de 5%. Pentru o orbită polară, veți avea o variabilitate mai mare și câmpuri magnetice mai mari decât pe o orbită ecuatorială (deoarece liniile câmpului magnetic al Pământului scad în apropierea polilor, de unde și aurorele). Dacă doriți să măsurați fluctuația, nu intensitatea câmpului, trebuie să captați semnale de 0,06-0,1 gauss. Un senzor cu efect Hall de 10 dolari plus un amplificator operațional ar putea măsura variații de până la 0,06 gauss, dacă nu există un câmp magnetic extern mare. Sub această valoare, zgomotul din circuitele senzorului, nu senzorul, va fi probabil factorul limitativ.

Ce se întâmplă cu daunele provocate de particule (radiații)?

Viața misiunii este scurtă (mai puțin de trei luni), așa că nu trebuie să vă faceți griji cu privire la daunele cumulative. Obișnuiam să fac modele de deteriorare prin radiații în timpul școlii și se pare că electronica modernă este surprinzător de robustă pe scări scurte de timp. În primul rând, veți avea parte de evenimente unice (SEP) care vor perturba un senzor sau un computer, dar, deoarece probabil că nu aveți nevoie de un timp de funcționare de 100%, acest lucru nu ar trebui să fie o problemă. De fapt, defecțiunile vor adăuga un caracter interesant datelor dvs. derivate. În cazul în care vă confruntați, să zicem, cu o furtună solară, va fi interesant să vedeți cum reacționează senzorii la aceasta, fie prin saturație, fie prin semnale false. Un contor proporțional sau un echivalent ersatz (cum ar fi un microDig Reach) poate măsura aceste numărări de particule.

Și în final, cel mai important lucru de știut:

Ce este misiunea mea?

Ce naiba vreți ca picosatelitul dumneavoastră să facă? Puteți împărți în mod clar alegerile tipice ale picosatelitului în misiuni științifice, misiuni de inginerie și opere de artă. O sarcină utilă științifică măsoară lucruri. O sarcină utilă de inginerie testează hardware sau software. Un proiect artistic instanțiază un concept înalt. Vom vizita fiecare dintre acestea.

Știință!

În cadrul unei misiuni științifice, picosatelitul dumneavoastră va măsura ceva. În esența sa, știința este despre măsurare. Există trei tipuri de misiuni pe care le puteți face: misiuni de indicare, misiuni in-situ și misiuni de inginerie.

O misiune de indicare este ca un telescop. Picosatelitul dvs. se îndreaptă spre un obiect de interes – Soarele, Luna, stelele, fundalul cerului sau Pământul – și îl observă. Rețineți că pentru a indica Pământul este nevoie de o licență – nu este greu de obținut, dar confidențialitatea este protejată în spațiul hobby.

Puteți indica la întâmplare, dar acest lucru nu pare foarte util. Puteți seta un mod de sondaj, în care picosatelitului dvs. i se dă o anumită orientare pe orbita sa, astfel încât, la fiecare orbită, să măture cerul într-un mod previzibil. Sau, puteți face o indicare activă, făcând ca picosatelitul să se orienteze acolo unde doriți.

Orientarea activă este destul de dificilă. Trebuie să vă cunoașteți poziția foarte precis. Folosirea referințelor inerțiale – cunoașterea orbitei inițiale plus predicția internă a modului în care se deplasează satelitul – este inexactă pentru scopuri de indicare a senzorilor. Prin urmare, orientarea necesită, de obicei, un fel de urmăritori stelare. Acestea sunt două sau mai multe telescoape cu câmp larg care realizează imagini ale cerului și le compară cu un catalog de la bord al stelelor de referință luminoase cunoscute.

Pistarea stelelor este complexă din punct de vedere tehnic și, probabil, depășește limitele de greutate și de proiectare ale unui picosatelit tipic. Cu toate acestea, a se vedea „Inginerie!” de mai jos, pentru mai multe informații în acest sens.

O utilizare științifică mai frecventă a picosatelitului este reprezentată de măsurătorile in-situ. Aceasta constă în utilizarea de senzori care măsoară regiunea în care se află satelitul fără a fi necesară orientarea. Un termometru este un exemplu perfect de detector in-situ. Acesta măsoară temperatura și nu este nevoie să îl îndreptați cu precizie pentru a ști că funcționează.

Alte măsurători in-situ din LEO pot include câmpul electric și magnetic din ionosferă, lumina de la Soare sau strălucirea reflectată de Pământ, măsurarea densității ionosferice sau urmărirea cinematicii orbitei și a poziționării (modul în care vă deplasați).

Ou poate că nu doriți să măsurați ceva din punct de vedere științific, ci doar să construiți lucruri. Asta este inginerie.

Inginerie!

Un picosatelit de inginerie folosește platforma pentru a încerca unele concepte noi de hardware spațial sau pentru a vă oferi practică în construirea propriilor variante de hardware spațial cunoscut.

Puteți construi un picosatelit pentru a testa oricare dintre componentele hardware. Un nou sistem de alimentare, o nouă metodă de poziționare, un nou tip de comunicații radio sau releu, noi senzori – în realitate, orice componentă a satelitului poate fi construită și îmbunătățită.

Câteva proiecte de picosateliți au implicat testarea – la scară mică – a unor noi concepte de propulsie a sateliților, de la motoare ionice la vele solare. Doriți să testați o stație spațială gonflabilă în miniatură sau să vedeți dacă puteți realiza un picosatelit care se desfășoară pentru a forma un punct de ricoșeu mare pentru radioamatori? Construiți-l!

Un alt motiv ingineresc poate fi testarea unor componente specifice: de exemplu, compararea unei platforme electronice personalizate cu o componentă comercială de la raft (COTS) pentru a vedea dacă sateliții (de orice dimensiune) pot fi făcuți mai rentabile. Sau puteți testa noi metode de compresie a datelor sau metode alternative de efectuare a operațiunilor de la bord.

Inovarea în operațiuni este un subset de obiective inginerești care merită explorate în continuare. Picosateliții ar putea fi utilizați pentru a testa coordonarea unei constelații de sateliți. Aceștia pot fi bancuri de testare pentru studii de mecanică orbitală sau lecții de operare coordonată a sateliților. Fiind cea mai ieftină modalitate de a avea acces la spațiu, ei sunt bancuri de testare excelente pentru prototiparea unor noi modalități de a face munca prin satelit înainte de a trece la misiuni de milioane de dolari.

Concept artistic!

În sfârșit, există piese conceptuale. Propriul meu TubeSat „Project Calliope” adună măsurători in-situ ale ionosferei și le transmite pe Pământ sub formă de muzică, un proces numit sonificare. Intenția este de a returna o idee despre ritmul și nivelul de activitate din spațiu, mai degrabă decât date numerice, astfel încât să ne putem face o idee despre modul în care se comportă sistemul Soare-Pământ.

Puteți lansa un satelit pentru a face orice. Trimite cenușă în spațiu. Expediați un steag de rugăciune din Himalaya. Lansează-ți verigheta din titan pe orbită. Orice idee artistică, muzicală sau hibridă artă/muzică/știință este binevenită, pentru că este satelitul tău. Doar dați-i un scop sau o utilitate dincolo de spectacolul de a putea să vă lansați propriul satelit.

Soluționați o problemă decenală pentru întreaga umanitate

Iată un exercițiu de proiectare care vă cere să inventați un satelit. Ideea nu este dacă puteți construi, ci dacă puteți concepe și contura o idee care să merite să fie construită în primul rând.

Alegeți unul dintre obiectivele decadenale pentru observarea Pământului, heliofizică, astronomie sau științe planetare și proiectați un concept de misiune pentru a îndeplini această sarcină folosind o platformă de satelit de mici dimensiuni – NASA SMEX sau mai mică.

Inventați-vă satelitul și faceți o prezentare de cinci minute pe care ați prezenta-o la NASA pentru a cere finanțare. Limitați-vă la un satelit cu unul sau două (cel mult) instrumente. Iată câteva link-uri de referință decenală:

• 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/

Un exemplu de obiectiv decenal, din domeniul observării Pământului, ar putea fi:

Schimbarea calotelor de gheață și a nivelului mării. Va avea loc o prăbușire catastrofală a principalelor calote de gheață, inclusiv a celor din Groenlanda și Antarctica de Vest și, dacă da, cât de repede se va produce acest lucru? Care vor fi modelele temporale de creștere a nivelului mării ca urmare a acestei situații?

Un pitch bun ar putea include:

• Un tablou rezumativ al misiunii (tip/lungime de undă/obiectiv/cine/orbită)
• Istoricul misiunilor anterioare care au abordat acest subiect
• Lista de încărcare a instrumentelor dorite: ce tipuri de instrumente și ce măsoară fiecare dintre ele, plus dacă are sau nu nevoie de optică de focalizare
• Gama de rezoluție per detector (spațială, spectrală, temporală, luminozitate)
• Stimarea costurilor, pe baza comparației/analogiei cu misiuni similare

Pentru a evalua un pitch bun, luați în considerare dacă:

• Obiectivul și satelitul dumneavoastră sunt plauzibile.
• Abordarea dvs. pare în mod clar a fi abordarea potrivită pentru sarcină.

Aceasta este abilitatea atât a propunerilor de afaceri, cât și a celor academice, în care trebuie nu numai să convingeți audiența că sunteți persoana potrivită pentru sarcină, ci și că sarcina în sine merită realizată!

Construirea propriului picosatelit nu este doar un mijloc pentru atingerea unui scop, ci un scop valoros în sine. Chiar dacă nu îl veți lansa niciodată, abilitățile și experiența pe care le dobândiți în realizarea propriului vostru satelit real pot fi o experiență extraordinară.

Acest articol este adaptat din DIY Satellite Platforms and DIY Instruments for Amateur Space de Sandy Antunes. Această serie, care include și Surviving Orbit the DIY Way, este o resursă profundă și ușor de utilizat pentru viitorii constructori de nave spațiale, disponibilă la Maker Shed la makershed.com. Urmăriți cea de-a patra carte din serie, DIY Data Communication for Amateur Spacecraft, care va apărea în această vară.

.