Как устроены «кубсаты» (CubeSat)? (6 фото). Старт в науке Состав Полезной Нагрузки

Немного истории

История спутников CubeSat началась в 1999 году, когда Калифорнийский Технологический и Стенфордский Университеты совместно разработали документ, в котором были закреплены спецификации на малые спутники. В стандарте были определены размеры, вес и другие параметры спутников, а также процедуры тестирования и подготовки к запуску. Текущая версия стандарта доступна по адресу http://www.cubesat.org/index.php/documents/developers .

Размеры спутников

В стандарте CubeSat определены спецификации для спутников размером 1 и 3 юнита, 1U и 3U, соответственно. Вес спутников не превышает 10кг, что по международной классификации соответстует классу наноспутников. Практически, наибольшее распространение получили спутники следующих размеров:

Размеры и вес спутников CubeSat

Обозначение	Размеры	Вес
1U	100х100х113,5 мм	до 1,33 кг
2U	100х100х226,5 мм	до 2,67 кг
3U	100х100х340,5 мм	до 4 кг
4U	100х100х533,5 мм	до 5,33 кг
5U	100х100х665,5 мм	6,67 кг
6U	100х200х340,5 мм	до 8 кг

Эти размеры получаются простым умножением стандартных размеров на величину юнита. Реже в практике встречаются промежуточные размеры спутников 0.5U и 1.5U. Размеры масштабируются таким образом, что в стандартный пусковой контейнер P-POD помещаются несколько спутников суммарным размером 3U.

Пусковой контейнер P-POD и три спутника. Фото с сайта http://www.spaceref.com

Для отделения спутников от ракеты-носителя не используется пиротехника, спутники выталкиваются пружиной. Это сделано из соображений безопасности, потому что, в основном, малые спутники выводятся на орбиту как попутная нагрузка в компании более крупных собратьев. Возможные неисправности в системах наноспутников не должны вызвать повреждений основного аппарата.

Конструкция спутников

Конструктивно спутники представляют собой каркас выполненный из анодированного алюминия. 4 грани являются рельсами, по которым спутник скользит в момент отделения от ракеты-носителя. Боковые поверхности покрываются солнечными батареями. Там же располагаются антенны приемника и передатчика.


Варианты размещения солнечных батарей. Фото с сайта http://www.clyde-space.com

Внутри корпуса располагаются печатные платы различных систем спутника и полезной нагрузки.
Базовыми системами являются:

1. Модуль центрального процессора
2. Радиоканал и антенно-фидерные устройства
3. Система питания, аккумуляторы и контроллер заряда, солнечные батареи
4. Опционально. Система определения положения спутника
5. Опционально. Система коррекции положения спутника

От базовой системы выведена системная шина, к которой подключаются платы полезной нагрузки. Системная шина содержит линии питания и коммуникационные интерфейсы. Полезной нагрузке предоставляется доступ к радиоканалу для отправки собранных данных на Землю.

Состав Полезной Нагрузки

Чаще всего в состав полезной нагрузки входят фотокамеры, а так же различные датчики. Малые космичечкие аппараты используют для изменения магнитного и гравитационного полей Земли, измерения состава и количества заряженных частиц в околоземном пространстве (AAUsat2), предсказание землетрясений (QuakeSat). Не борту спутника CubeSat проводился даже биохимический эксперимент с бактериями (GeneSat1). Часто наноспутники используют для испытаний электронных компонентов, конструктивных и технологических решений в условиях реального космоса, чтобы потом применить их в производстве более крупных космических аппаратов. В общем, фантазия исследователей ограничивается только габаритами, весом и энергетическими возможностями предоставляемыми на борту малого космического аппарата.

Цена вопроса

В спецификации CubeSat была заложена идеология, концепция которой базируется на нескольких постулатах.

• Уменьшение времени разработки спутника до 1-2 лет. Достигается за счет стандартизации конструкции.
• Уменьшение затрат на производство спутника. Это достижимо благодаря широкому использованию, так называемых COTS компонентов, т.е. обычной электроники вместо специализированных космических электронных компонентов.
• Привлечение для разработки студентов и аспирантов.

В результате по данным Википедии (en.wikipedia.org/wiki/CubeSat) стоимость разработки спутника 1U CubeSat обходится в 65-80 тысяч долларов, из которых 40000$ приходится на услуги по запуску спутника на орбиту. На сайте одной Голландской компании стоимость комплекта для сборки спутника 1U составляет 39000 евро. В комплект входят: корпус, плата бортового компьютера, система питания с аккумуляторами, 6 солнечных батарей, 144/433МГц трансивер, антенная система. Мы называем такой комплект Базовой платформой . Это на несколько порядков меньше стоимости "обычных" спутников, бюджеты которых исчисляются миллионами долларов.

Относительно низкая стоимость запуска позволила стандарту Cubesat стать одной из самых распространенных спутниковых платформ в мире. Начиная с июня 2003 по февраль 2012 года было запущено более 60 спутников Cubesat http://www.amsat.org/amsat-new/satellites/cubesats.php http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php . Большинство запусков малых спутников было произведено на ракетах российского производства с космодромов Плесецк и Байконур.

Одной из определяющих характеристик современной эпохи освоения космоса является ее открытая природа. В прошлом космос был фронтиром, доступным лишь двум национальным космическим агентствам - программам США и СССР. Но благодаря развитию новых технологий и сокращению расходов на те или иные аспекты, коммерческий сегмент уже активно предлагает собственные услуги по запуску чего-либо в космос.

Кроме того, научные учреждения и малые страны строят собственные спутники для проведения атмосферных исследований, наблюдений Земли и испытания новых космических технологий. Так вот, именно CubeSat («кубсат»), миниатюрный спутник, позволяет им проводить вполне недорогие космические исследования.

«Кубсаты», известные также как наноспутники, строятся в стандартном размере 10 х 10 х 11 сантиметров (1U) и выполнены в форме кубика, как легко догадаться по названию. Они масштабируются и бывают разных версий - 1U, 2U, 3U или 6U. Весит такой спутник 1,33 кг на U. Кубсаты выше 3U по размерам - это большие прототипы, составленные из трех кубиков, которые находятся в цилиндре.

В последние годы предлагались и более крупные платформы CubeSat, включающие модель в 12U (20 x 20 x 30 сантиметров). Она позволила бы расширить возможности кубсатов, выйдя за пределы академических исследований, и проводить испытания новых технологий, включая более сложную науку и оборонку.

Основная причина миниатюризации спутников заключается в снижении стоимости развертывания и поскольку их можно развернуть на остатках мощности ракеты. Это позволяет снизить различные риски, а также существенно ускорить процесс запуска.

Также их можно делать на основе готовых коммерческих электронных компонентов, что относительно легко. Обычно миссии с участием кубсатов запускаются на самую низкую околоземную орбиту, а через несколько дней или недель они уже повторно входят в атмосферу, что позволяет проигнорировать излучение и использовать обычную технику, как из магазина электроники.

Кубсаты делают из четырех определенных типов алюминиевого сплава, чтобы гарантировать, что у них с ракетой-носителем будет один и тот же коэффициент теплового расширения. Спутники также покрываются защитным слоем оксида на всех поверхностях, что предотвращает холодную сварку с местом под большим давлением.

Компоненты «кубсатов»

Кубсаты зачастую оснащены множеством бортовых компьютеров для проведения исследований, а также для управления ориентацией, подруливающими устройствами и коммуникациями. Как правило, обилие бортовых компьютеров позволяет перераспределить нагрузку в случае избытка данных. Основной компьютер отвечает за делегирование задач другим компьютерам - например, управление ориентацией, расчет орбитальных маневров и планирование задач. Также основной компьютер можно использовать для выполнения задач, связанных с грузом, вроде обработки изображений, анализа данных и сжатия данных.

Миниатюрные компоненты, обеспечивающие управление ориентацией, состоят из маховиков, движителей, звездных трекеров, датчиков Земли и Солнца, датчиков угловых скоростей, GPS-приемников и антенн. Многие из этих систем часто используются в сочетании, чтобы компенсировать недостатки и обеспечить уровень избыточности.

Датчики Солнца и звезд используются для направления спутника, а датчик Земли и ее горизонта необходим для проведения земных и атмосферных исследований. Солнечные датчики также нужны, чтобы кубсат получал максимум солнечной энергии.

В то же время движение происходит в разных формах, все из которых включают миниатюрные двигатели, обеспечивающие различный импульс. Спутники также подвержены радиационному нагреву Солнца, Земли и отраженного солнечного света, не говоря уж о тепле, вырабатываемом их компонентами.

Поэтому кубсат имеет изоляционные слои и теплозащиту, которая гарантирует, что компоненты не будут нагреваться выше положенного и что избыточное тепло будет рассеиваться. Зачастую для наблюдения за температурой включат датчики температуры.

Для связи кубсат полагается на антенну, которая работает в VHF, UHF, L-, S-, C- или X-диапазонах. Они ограничены двумя ваттами энергии из-за небольших размеров и ограниченных возможностей спутников. Эти антенны могут быть спиральными, дипольными или монопольными, хотя бывают и более сложные модели.

Движение кубсата

Кубсаты полагаются на множество различных методов движения, что в свою очередь привело к прогрессу в разных сферах технологий. Самые распространенные методы включают холодный газ, химическое, электрическое движение и солнечные паруса. Тяга на холодном газе подразумевает хранение инертного газа (например, азота) в баке и выпуск через сопло для движения.

Это самая простая, полезная и безопасная система, которую может использовать кубсат, поскольку большинство газов холодные и не являются ни летучими, ни едкими. Тем не менее они также предполагают ограниченную эффективность и не позволяют особо разогнаться или поманеврировать. Поэтому они используются в системах управления высотой, а не в качестве основных двигателей.

Системы химической тяги опираются на химические реакции для получения газа под высоким давлением и при высокой температуре, которые затем направляется в сопло для создания тяги. Они могут быть жидкими, твердыми или гибридными и, как правило, сводятся к комбинации химических веществ и катализаторов или окислителей. Эти двигатели просты (а значит и миниатюрны), имеют низкие требования к мощности и очень надежны.

Электрическая тяга полагается на электрическую энергию для ускорения заряженных частиц до высоких скоростей. Двигатели Холла, ионные двигатели, импульсные плазменные двигатели - это все сюда. Этот вид тяги сочетает высокий удельный импульс с высокой эффективностью, а его компоненты можно легко уменьшить. Недостатком является то, что они требуют дополнительной мощности, а значит нужны будут и более крупные солнечные батареи, и более сложные системы питания.

Для движения также используются солнечные паруса, которые полезны, поскольку не нуждаются в топливе. Солнечные паруса также можно масштабировать в зависимости от размеров кубсата, а малая масса спутников приводит к значительному ускорению при помощи паруса.

Тем не менее солнечные паруса должны быть достаточно велики по сравнению со спутником, что добавляет механической сложности и возможностей для потенциального отказа. В настоящее время не так много кубсатов оснащали солнечным парусом, но поскольку это единственный метод на текущий момент, который не требует ракетного топлива и не включает опасные материалы, интерес к нему не исчезает.

Поскольку двигатели миниатюрны, с этим сопряжено несколько технических проблем. Например, операции с вектором тяги невозможны при небольших двигателях. Управление вектором тяги осуществляется за счет использования асимметричной тяги из множества сопел или за счет изменения центра массы относительно геометрии кубсата.

История «кубсата»

Начиная с 1999 года Политехнический университет штата Калифорния и Стэнфордский университет разрабатывали спецификации CubeSat, чтобы помочь университетам всего мира «выйти в космос». Термин CubeSat был придуман для обозначения наноспутников, которые соответствуют стандартам, указанным в проектных спецификациях.

Основы этих спецификаций были заложены профессором авиационно-космической техники Джорди Пьюиг-Суари и Бобом Твиггсом из Стэнфордского университета. С тех пор на основе этой работы выросло международное партнерством более 40 институтов, которые разрабатывают ценный груз для наноспутников при проведении собственных исследований.

Первоначально, несмотря на их малые размеры, научные учреждения были существенно ограничены, вынужденные ждать возможности запуска годами. В некоторой степени это было исправлено появлением Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD), созданного Политехническим калифорнийским университетом. P-POD монтируются к пусковой ракете и выводят кубсаты на орбиту, выпуская их после получения правильного сигнала от носителя.

Если коротко, P-POD позволили запускать множество кубсатов в строго указанное время.

Производством кубсатов занимается множество компаний, включая Boeing. Но большая часть интереса проистекает со стороны научного сообщества, с гремучей смесью успешно запущенных на орбиту кубсатов и проваленных миссий. С момента создания кубсаты использовались множество раз.

Например, для развертывания системы автоматической идентификации для мониторинга морских судов; удаленных датчиков Земли; для проверки долгосрочной жизнеспособности космических тросов, а также для проведения биологических и радиологических экспериментов.

Внутри академического и научного сообщества эти результаты являются общими и достигаются за счет широкого вовлечения институтов и сотрудничества разработчиков.

Оразов А.В. 1

Демушкина О.В. 1

1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение- средняя общеобразовательная школа N50 г. Орла

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Во время смены «Большие вызовы», организованного ОЦ «Сириус», я занимался апгрейдом наноспутника SiriusSat . Моей целью было установить на спутнике камеру Raspberry Pi Camera Module v 2.1 на платформе Raspberry pi . Об этом процессе я и хотел бы рассказать.

Цель эксперимента: установка камеры на спутник и осуществление автономного управления ею.

Этапы работы:

Знакомство со спутником.

Цели установки камеры.

Процесс подключения.

Налаживание связи.

Интеграция с бортовым компьютером спутника.

Разработка ПО.

Передача данных по CAN шине.

Анализ работы и выводы.

§1. Пару слов о спутнике

Разрабатываемый нашей командой спутник BumbleBee (приложение 1, рисунок 1) должен был стать усовершенствованным аналогом спутников SiriusSat -1 и SiriusSat -2 (приложение 1, рисунок 2), разработанных во время смены «Большие вызовы» в 2017 году. Основными отличиями нашей миссии являлось то, что мы хотели запускать его на полярную орбиту (в отличие от SiriusSat ’ов, которые сейчас находятся на орбите МКС), а также провести эксперимент эксплуатации камеры Raspberry Pi Camera module v 2.1 (приложение 2, рисунок 1) в открытом космосе.

§2. Зачем устанавливать камеру?

Установка камеры позволяет осуществить:

а) восстановление ориентации спутника в космосе по снимкам с камеры,

б) получение изображения Земли из космоса.

Конечно, есть некоторый процент вероятности, что камера не сможет получить внятного изображения, на это есть ряд причин, например, высокоэнергетические частицы в атмосфере земли, способные засветить матрицу. Но этот риск вполне оправдан: за сравнительно небольшую цену в размере менее 1% от общей стоимости спутника, мы имеем шанс получить дешёвый способ фотографировать космос!

§3. Процесс подключения

Н алаживание связи

Прежде всего, возникла необходимость «подружить» камеру и процессор Raspberry Pi 3. Для этого к плате была подключена камера, монитор, клавиатура, а далее произведена настройка опций операционной системы «Raspbian » для поддержки работы камеры. Данная операционная система обладает встроенной библиотекой для работы с камерой на языке программирования Python . Самые первые снимки были получены с помощью консольной команды и тривиального кода на этом языке, использующего общую библиотеку.

Интеграция с бортовым компьютером спутника

С подключением камеры к спутнику было не всё так просто. В отличие от используемой для отладки платы, внутри космического аппарата был установлен Raspberry Pi Compute Module 3, для программирования которого требовалась специальная микросхема, которой у нас, к сожалению, не оказалось. Модуль был «намертво» припаян к плате спутника, в связи, с чем нам пришлось вручную выводить и паять требуемые для камеры порты. В результате плата приняла следующий облик - приложение 3, рисунок 1.

Разработка ПО

Основными требованиями по функционалу камеры и процессора были:

возможность по запросу пользователя производить снимок с заданным разрешением и цветным или черно-белым режимами;

скачивать из внутренней памяти спутника выбранный по имени файл;

осуществлять повторные попытки скачивания выбранных файлов;

выводить на экран пользователя список всех доступных снимков во внутренней памяти спутника;

удалять выбранный по имени файл из внутренней памяти спутника, для освобождения памяти;

форматировать хранилище снимков спутника.

Очень важно было сделать так, чтобы спутник фотографировал «по щелчку», а потом отправлял фотографию на землю. Операционная система позволяла свободно программировать на языке Python , но я решил попробовать написать код на языках «C ++» и «C ».Для этого потребовалось установить компилятор. Что заняло около часа по времени, т.к. процессор не обладал достаточной вычислительной мощностью. Кроме того, эту процедуру требовалось повторить несколько раз на разных Compute Module ’ях.

В Интернете я нашёл библиотеку для С++, позволяющую управлять камерой и производить снимки. Она обладала всем функционалом, который нам был необходим - регулируемым разрешением картинки и изменяемыми цветовыми режимами. Весь основной функционал писался на С++, но впоследствии пришлось перейти на С. Си++ стал использоваться только для управления камерой. Что послужило причиной такого перехода я объясню позже.

Ещё одной проблемой стало то, что найденная мною библиотека сохраняла снимки в несжатом формате bmp . Они весили порядка 100 кб при маленьком разрешении, что было совершенно недопустимо. Находящиеся в нашем распоряжении антенны могли передавать информацию со скоростью 7000-8000 бод. При больших размерах, была велика вероятность того, что снимок попросту мог не догрузиться и один непринятый пакет (из нескольких сотен пакетов) мог испортить всю картину. Для решения этой проблемы я использовал скрипт на Python , конвертирующий несжатые снимки в jpg , а также провёл опыты с черно-белым снимком. Серая jpg -картинка при наименьшем разрешении весила в ~25 раз меньше, чем цветная bmp -картинка. Затем я добавил в алгоритм захвата снимков автоматическую конвертацию из bmp в jpg и переименования снимка в “1.jpg ”, “2.jpg ” и т.д. Так закончилась работа над первым пунктом.

Вывод списка файлов на экран также был реализован с помощью Python скрипта, вызываемого из основного C ++ файла. Некоторые простые задачи я старался решать просто - использовать коды на Python .

Прописать процессы удаления файлов и полного форматирования хранилища также не составило особого труда. Для удобства я разделял типы операций на административные (вывод списка и удаления файлов, форматирование) и рабочие (фотографирование и скачивание снимков).

Продумать все возможности скачивания снимков на подключенный ноутбук оказалось сложнее - на орбите не будет ноутбука и сети типа Wi-Fi.

Передача данных по CAN шине

В космическом пространстве общение между спутником и Землёй производится с помощью антенн. Но, кроме общения с Землёй, спутнику также необходимо «общаться» с его внутри бортовыми системами (рисунок 2, приложение 3). Для этого он снабжён CAN шиной, на сегодняшний день широко используемой в автомобильной промышленности и устройствах “умный дом”.

Передача информации по протоколу CAN отличается от привычных для нас способов, например протокола I 2C . В CAN шинах типы сигналов делятся на 4 вида: кадр данных, удаленный кадр, кадр ошибки и кадр перегрузки. Я не буду останавливаться на каждом из них, так как мы пользуемся в основном кадром данных для передачи изображений. Кадр данных не может передать большое количество информации, сравнимое с размерами полученных нами фотографий. Для этого информацию необходимо раздробить на множество пакетов, которые затем по очереди отправляются посредством антенны.

Автоматическое фрагментирование информации было включено в специальную библиотеку для работы с информацией в протоколе CAN , которую нам предоставила компания «СПУТНИКС». Но и тут обнаружились свои «подводные камни» - библиотека была написана для работы с С и не хотела «дружить» с С++. Именно это и послужило причиной переноса всех административных функций на язык С. Мне оказалось проще реализовать простые функции наряду со сложным процессом передачи файлов. И, как уже было упомянуто ранее, С++ использовался только для написания кода манипуляций с камерой.

Для того чтобы спутник начал передавать нам данные, его необходимо было об этом «попросить». Поэтому приём сигналов осуществлялся антеннами, которые по CAN шине передавали их в процессор компьютера. Чтобы исключить возможность перепутывания «команд» системами спутника, каждой из них был присвоен отдельный уникальный номер (ID ) «команды», указываемый в самом начале CAN сигнала. Для процессора Raspberry мы выделили отдельные ID «команд». Библиотека позволила не только посылать сигналы, но и принимать их по протоколу CAN . По умолчанию ПО постоянно «говорит» процессору «слушать» какие команды в CAN шине, и если ID сигнала совпадает с ожидаемым ID , то программа считывает данные команды и в соответствии с ними осуществляет нужное действие.

Итогом проделанной работы стал алгоритм работы ПО, с которым вы можете познакомиться в приложении 3(рисунок 3).

Заключение

Итак, за месяц, проведённый в ОЦ «Сириус», нашей команде удалось реализовать эксперимент по разработке систем управления камерой для спутника формата CubeSat на 99,5%. Мы встретили множество препятствий, но ни одно из них не помешало нам реализовать поставленные задачи и прийти к заветной цели.

Прежде я не занимался написанием программ на С++ и Python . Мне были известны лишь основные принципы алгоритмизации и частичное строение кода на С. Полученный за время экспериментальной работы опыт, стал для меня очень ценным.

Итогом работы - были тесты работы функций ПО. Программа помогала стабильно отлавливать сигналы из CAN шины и передавать требуемые команды. Полученные снимки были не высокого качества, но очертания предметов на них вполне различим. При запросе вывода списка фотографий по CAN шине благополучно передавались данные, а после команды удаления при повторном запросе списка можно было заметить уменьшение количества файлов. Скачивание снимка сопровождалось большим потоком данных в терминале CAN шины, тоже происходило при запросе повторной загрузки картинки. А если после тестирования накопилось множество не нужных фотографий, то команда форматирования успешно стирала их. Таким образом, весь необходимый функционал работал отлажено в штатном режиме.

Литература

Библиотека для работы с камерой на языке C ++ - https ://www .uco .es /investiga /grupos /ava /node /40

Руководство по настройке камеры - https://projects.raspberrypi.org/en/projects/getting-started-with-picamera

Краткое пособие по CAN шине - http://www.micromax.ru/solution/theory-practice/articles/2160/

Рис . 1. Наноспутник BumbleBee формата Cubesat

Приложение 1

Рис. 2. Наноспутники SirusSat -1 и SiriusSat -2

Raspberry Pi Camera Module v 2.1

Приложение 2

Приложение 3

Рис. 1. Перепаянная плата

Рис. 2. Спутник в собранном виде

Рис. 3. Алгоритм работы ПО

Авторы

Космодемьянский Е. В. 1 * , Кириченко А. С. 1 * , Клюшин Д. И. 1 * , Космодемьянская О. В. 1 * , Макушев В. В. 1 * , Альмурзин П. П. 2 **

1. Ракетно-космический центр «Прогресс», ул. Земеца, 18, Самара, 443009, Россия
2. Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, 34, Самара, 443086, Россия

*e-mail: [email protected]
**e-mail: [email protected]

Аннотация

В статье приведена статистика пусков малых космических аппаратов нано-класса формата «CubeSat», включая 2013 год, сделан вывод о росте и значимости рынка пусковых услуг КА данного класса, описаны средства выведения, создаваемые в настоящее время в ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» и предлагаемые к разработке для обеспечения миссий МКА формата «CubeSat». Подробно описаны предлагаемое пусковое устройство и транспортно-пусковой контейнер для МКА формата «CubeSat», сделаны выводы о возможности организации миссий по выведению КА данного формата с использованием новых организационно-технических приёмов и занятии нашей страной лидирующих позиций по обеспечению данной услуги.

Ключевые слова:

малый космический аппарат, Cubesat, универсальная платформа, пусковое устройство, web-технологии, транспортно-пусковой контейнер

Библиографический список

1. Michael’s List of Cubesat Satellite Missions , available at: http://mtech.dk/thomsen/space/cubesat.php (accessed 16.07.2013).
2. Bryan Klofas, Anderson Jason, Leveque Kyle. A Survey of CubeSat Communication Systems, the AMSAT Journal, November/December 2009, pp. 23-30.
3. Wikipedia EN: List of CubeSats, available at: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_CubeSats (accessed 16.07.2013).