WAT ZIJN CUBESATS?

Send

Een van de bepalende kenmerken van het moderne tijdperk van ruimteverkenning is het open karakter ervan. In het verleden was de ruimte een grens die alleen toegankelijk was voor twee federale ruimteagentschappen - NASA en het Sovjetruimteprogramma. Maar dankzij de opkomst van nieuwe technologieën en kostenbesparende maatregelen, is de particuliere sector nu in staat om zijn eigen lanceringsdiensten aan te bieden.

Bovendien zijn academische instellingen en kleine landen nu in staat om hun eigen satellieten te bouwen om atmosferisch onderzoek uit te voeren, de aarde te observeren en nieuwe ruimtetechnologieën te testen. Het is wat bekend staat als de CubeSat, een geminiaturiseerde satelliet die kosteneffectief ruimteonderzoek mogelijk maakt.

Structuur en ontwerp:

Ook bekend als nanosatellieten, CubeSats zijn gebouwd met standaardafmetingen van 10 x 10 x 11 cm (1 U) en hebben de vorm van kubussen (vandaar de naam). Ze zijn schaalbaar, komen in versies die 1U, 2Us, 3Us of 6Us aan een kant meten, en wegen doorgaans minder dan 1,33 kg (3 lbs) per U. CubSats van 3U of meer zijn de grootste, bestaande uit drie gestapelde eenheden in de lengte met een cilinder die ze allemaal omsluit.

In de afgelopen jaren zijn grotere CubeSat-platforms voorgesteld, waaronder een 12U-model (20 x 20 x 30 cm of 24 x 24 x 36 cm), dat de mogelijkheden van CubeSats verder zou uitbreiden dan academisch onderzoek en het testen van nieuwe technologieën, met meer complexe wetenschap en nationale defensiedoelen.

De belangrijkste reden voor het verkleinen van satellieten is het verlagen van de inzetkosten en omdat ze kunnen worden ingezet in de overcapaciteit van een lanceervoertuig. Dit vermindert de risico's die gepaard gaan met missies waarbij extra lading moet worden vervoerd naar de draagraket, en maakt het ook mogelijk om op korte termijn van lading te veranderen.

Ze kunnen ook worden gemaakt met commerciële off-the-shelf (COTS) elektronische componenten, waardoor ze relatief eenvoudig te maken zijn. Aangezien CubeSats-missies vaak worden uitgevoerd op zeer lage aardbanen (LEO) en na slechts enkele dagen of weken atmosferische herintreding ervaren, kan straling grotendeels worden genegeerd en kan standaard consumentenelektronica worden gebruikt.

CubeSats zijn gemaakt van vier specifieke soorten aluminiumlegeringen om ervoor te zorgen dat ze dezelfde thermische uitzettingscoëfficiënt hebben als het lanceervoertuig. De satellieten zijn ook bedekt met een beschermende oxidelaag langs elk oppervlak dat in contact komt met het lanceervoertuig om te voorkomen dat ze door extreme belasting op hun plaats worden gelast.

Componenten:

CubeSats hebben vaak meerdere boordcomputers om onderzoek uit te voeren en om te zorgen voor attitudecontrole, stuwraketten en communicatie. Doorgaans worden andere boordcomputers meegeleverd om ervoor te zorgen dat de hoofdcomputer niet wordt overbelast door meerdere gegevensstromen, maar dat alle andere boordcomputers ermee moeten kunnen communiceren.

Doorgaans is een primaire computer verantwoordelijk voor het delegeren van taken aan andere computers - zoals houdingscontrole, berekeningen voor baanmanoeuvres en planningstaken. Toch kan de primaire computer worden gebruikt voor taken die verband houden met de nuttige lading, zoals beeldverwerking, gegevensanalyse en gegevenscompressie.

Geminiaturiseerde componenten zorgen voor standcontrole, meestal bestaande uit reactiewielen, magnetorquers, stuwraketten, stertrackers, zon- en aardesensoren, hoeksnelheidssensoren en GPS-ontvangers en antennes. Veel van deze systemen worden vaak in combinatie gebruikt om tekortkomingen te compenseren en redundantie te bieden.

Zon- en stersensoren worden gebruikt om gericht te richten, terwijl het waarnemen van de aarde en haar horizon essentieel is voor het uitvoeren van aard- en atmosferisch onderzoek. Zonnesensoren zijn ook nuttig om ervoor te zorgen dat de CubsSat zijn toegang tot zonne-energie kan maximaliseren, wat het belangrijkste middel is om een CubeSat van stroom te voorzien - waarbij zonnepanelen zijn opgenomen in de buitenmantel van de satellieten.

Ondertussen kan voortstuwing in een aantal vormen voorkomen, die allemaal geminiaturiseerde stuwraketten omvatten die kleine hoeveelheden specifieke impuls geven. Satellieten zijn ook onderhevig aan stralingswarmte van de zon, aarde en gereflecteerd zonlicht, om nog maar te zwijgen van de warmte die door hun componenten wordt gegenereerd.

Als zodanig worden CubeSat's ook geleverd met isolatielagen en verwarmingselementen om ervoor te zorgen dat hun componenten hun temperatuurbereik niet overschrijden en dat overtollige warmte kan worden afgevoerd. Er worden vaak temperatuursensoren meegeleverd om te controleren op gevaarlijke temperatuurstijgingen of -dalingen.

Voor communicatie kunnen CubeSat's vertrouwen op antennes die werken in de VHF-, UHF- of L-, S-, C- en X-banden. Deze zijn meestal beperkt tot 2W vanwege het kleine formaat en de beperkte capaciteit van de CubeSat. Het kunnen spiraalvormige, dipool- of monodirectionele monopoolantennes zijn, hoewel er meer geavanceerde modellen worden ontwikkeld.

Voortstuwing:

CubeSats vertrouwen op veel verschillende voortstuwingsmethoden, wat op zijn beurt heeft geleid tot vooruitgang in veel technologieën. De meest gebruikelijke methoden zijn koud gas, chemische, elektrische voortstuwing en zonnezeilen. Een boegschroef met koud gas vertrouwt op inert gas (zoals stikstof) dat in een tank wordt opgeslagen en via een mondstuk wordt afgegeven om stuwkracht te genereren.

Zoals voortstuwingsmethoden gaan, is dit het eenvoudigste en handigste systeem dat een CubeSat kan gebruiken. Het is ook een van de veiligste, omdat de meeste koude gassen niet vluchtig of corrosief zijn. Ze hebben echter beperkte prestaties en kunnen geen hoge impulsmanoeuvres bereiken. Vandaar dat ze over het algemeen worden gebruikt in houdingscontrolesystemen, en niet als belangrijkste stuwraketten.

Chemische voortstuwingssystemen vertrouwen op chemische reacties om gas onder hoge druk en hoge temperatuur te produceren dat vervolgens door een mondstuk wordt geleid om stuwkracht te creëren. Ze kunnen vloeibaar, vast of hybride zijn en komen meestal neer op de combinatie van chemicaliën in combinatie met een katalysator of een oxidatiemiddel. Deze boegschroeven zijn eenvoudig (en kunnen daarom gemakkelijk worden geminiaturiseerd), hebben een laag stroomverbruik en zijn zeer betrouwbaar.

Elektrische voortstuwing is afhankelijk van elektrische energie om geladen deeltjes te versnellen tot hoge snelheden - oftewel. Hall-effect stuwraketten, ionen stuwraketten, gepulseerde plasma stuwraketten, enz. Deze methode is nuttig omdat het een hoge specifieke impuls combineert met een hoog rendement en de componenten gemakkelijk kunnen worden verkleind. Een nadeel is dat ze extra stroom nodig hebben, ofwel grotere zonnecellen, grotere batterijen en complexere energiesystemen.

Zonnezeilen worden ook gebruikt als voortstuwingsmethode, wat gunstig is omdat er geen drijfgas voor nodig is. Zonnezeilen kunnen ook worden geschaald naar de afmetingen van de CubSat, en de kleine massa van de satelliet resulteert in een grotere versnelling voor een bepaald zonnezeilgebied.

Zonnezeilen moeten echter nog steeds behoorlijk groot zijn in vergelijking met de satelliet, wat mechanische complexiteit een extra bron van potentiële storing maakt. Op dit moment hebben maar weinig CubeSats een zonnezeil gebruikt, maar het blijft een gebied van potentiële ontwikkeling, omdat het de enige methode is die geen drijfgas nodig heeft of waarbij gevaarlijke materialen betrokken zijn.

Omdat de thrusters zijn geminiaturiseerd, creëren ze verschillende technische uitdagingen en beperkingen. Stuwkrachtvectoring (d.w.z. cardanusringen) is bijvoorbeeld onmogelijk met kleinere stuwraketten. Als zodanig moet vectoring in plaats daarvan worden bereikt door meerdere spuitmonden te gebruiken om asymmetrisch te stoten of door geactiveerde componenten te gebruiken om het massamiddelpunt te veranderen ten opzichte van de geometrie van de CubeSat.

Geschiedenis:

Vanaf 1999 ontwikkelden de California Polytechnic State University en Stanford University de CubeSat-specificaties om universiteiten wereldwijd te helpen bij het uitvoeren van ruimtewetenschap en verkenning. De term "CubeSat" is bedacht om nanosatellieten aan te duiden die voldoen aan de normen die zijn beschreven in de ontwerpspecificaties van CubeSat.

Deze zijn opgesteld door professor lucht- en ruimtevaarttechniek Jordi Puig-Suari en Bob Twiggs, van de afdeling Aeronautics & Astronautics van de Stanford University. Inmiddels is het uitgegroeid tot een internationaal samenwerkingsverband van meer dan 40 instituten die nanosatellieten ontwikkelen met wetenschappelijke payloads.

Aanvankelijk waren academische instellingen, ondanks hun kleine omvang, beperkt omdat ze soms jaren moesten wachten op een lanceringsmogelijkheid. Dit werd tot op zekere hoogte verholpen door de ontwikkeling van de Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (ook bekend als de P-POD), door California Polytechnic. P-POD's worden op een lanceervoertuig gemonteerd en dragen CubeSats in een baan om de aarde en zetten ze in zodra het juiste signaal van het lanceervoertuig is ontvangen.

Het doel hiervan was volgens JordiPuig-Suari "om de ontwikkelingstijd van de satelliet te verkorten tot het tijdsbestek van de carrière van een student en om lanceringsmogelijkheden te benutten met een groot aantal satellieten." Kortom, P-POD's zorgen ervoor dat veel CubeSats op elk moment kunnen worden gelanceerd.

Verschillende bedrijven hebben CubeSats gebouwd, waaronder de grote satellietfabrikant Boeing. Het merendeel van de ontwikkeling komt echter uit de academische wereld, met een gemengd record van met succes omcirkelde CubeSats en mislukte missies. Sinds hun oprichting zijn CubeSats gebruikt voor talloze toepassingen.

Ze zijn bijvoorbeeld gebruikt om automatische identificatiesystemen (AIS) in te zetten om zeeschepen te bewaken, aardse afstandssensoren in te zetten, de levensvatbaarheid van ruimtebanden op lange termijn te testen en om biologische en radiologische experimenten uit te voeren.

Binnen de academische en wetenschappelijke gemeenschap worden deze resultaten gedeeld en worden middelen beschikbaar gesteld door rechtstreeks met andere ontwikkelaars te communiceren en CubeSat-workshops bij te wonen. Bovendien profiteert het CubeSat-programma van particuliere bedrijven en overheden door een goedkope manier te bieden om ladingen in de ruimte te vliegen.

In 2010 heeft NASA het "CubeSat Launch Initiative" opgericht, dat als doel heeft om lanceringsdiensten te bieden aan onderwijsinstellingen en non-profitorganisaties, zodat ze hun CubeSats de ruimte in kunnen krijgen. In 2015 startte NASA de Cube Quest Challenge als onderdeel van hun Centennial Challenges-programma's.

Met een prijsbeurs van $ 5 miljoen was deze stimuleringscompetitie bedoeld om de creatie van kleine satellieten te bevorderen die in staat zijn om buiten een lage baan om de aarde te werken - met name in een maanbaan of diepe ruimte. Aan het einde van de wedstrijd worden maximaal drie teams geselecteerd om in 2018 hun CubeSat-ontwerp aan boord van de SLS-EM1-missie te lanceren.

NASA's InSight lander-missie (gepland voor lancering in 2018), zal ook twee CubeSats bevatten. Deze zullen een flyby van Mars uitvoeren en zorgen voor extra relaiscommunicatie naar de aarde tijdens het binnenkomen en landen van de lander.

Aangewezen Mars Cube One (MarCO), deze experimentele 6U-formaat CubeSat zal de eerste deep-space missie zijn die vertrouwt op CubeSat-technologie. Het zal een high-gain, flat-panel X-band antenne gebruiken om gegevens naar de Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) van NASA te sturen, die het vervolgens naar de aarde doorgeeft.

Ruimtesystemen kleiner en betaalbaarder maken is een van de kenmerken van het tijdperk van hernieuwde ruimteverkenning. Het is ook een van de belangrijkste redenen waarom de NewSpace-industrie de afgelopen jaren met grote sprongen is gegroeid. En met een grotere deelname zien we meer rendement als het gaat om onderzoek, ontwikkeling en exploratie.

We hebben veel artikelen geschreven over CubeSat voor Space Magazine. Hier is Planetary Society om drie afzonderlijke zonnesails te lanceren, eerste interplanetaire CubeSats om te lanceren op NASA's InSight Mars Lander 2016, CubeSats astronomie laten doen, wat kun je doen met een Cubesat?, Deze Cubesats kunnen plasma-stuwraketten gebruiken om ons zonnestelsel te verlaten.

Als je meer informatie wilt over de CubeSat, bekijk dan de officiële homepage van CubeSat.

We hebben een aflevering van Astronomy Cast opgenomen over de Space Shuttle. Luister hier, aflevering 127: The US Space Shuttle.

Bronnen: