Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Oma satelliitti: 7 asioita, jotka on tiedettävä ennen lähtöä

Pyydän vain onnistunutta käynnistystä, puhdasta radiosignaalia ja elämää, joka on tarpeeksi pitkä tämän tavoitteen saavuttamiseksi.

Jos korkeatasoiset ilmapallot eivät vain ole riittävän korkeita, jos tuntuu turhautuneena avaruuskehityksen tahtiin, tai jos vain todella, todella raketteja ja laitteistoa, oman satelliitin käyttöönotto on mielestäni erinomainen päätös. Mutta ensin, mitä haluat satelliittisi tehdä? Seuraavassa on 7 keskeistä asiaa, jotka sinun täytyy tietää ennen kuin käynnistät henkilökohtaisen avaruusalustasi kiertoradalle 17 000 mailia tunnissa.

Aurora katsottuna ISS: stä matalan maanpinnan kiertoradalla, kuva kohteliaisuus NASA

Mikä on Picosatellite?

Picosatellitesovat määritelmän mukaan erittäin pieniä, kevyitä satelliitteja. Kaikilla picosatelliitteilla on taipumus saada nämä ydinosat:

  • Antenni
  • Radiolähetin komentojen siirtämiseen tai tietojen lataamiseen
  • Tietokonepohjainen siru, kuten Arduino tai Basic-X24
  • Voimajärjestelmä, useimmiten aurinkokennot sekä akku ja voimayhteys
  • anturit

Pico-luokan progenitor on CubeSat, avoimen lähdekoodin arkkitehtuuri, jonka avulla voit pakata mitä tahansa haluamaasi 10 cm × 10cm × 10cm: n kuutioon.

CubeSat on satelliitti niin söpö kuin kurpitsa. Forbes raportoi yhdestä myyjästä, Pumpkin Inc.:stä, joka toimittaa premade CubeSatsia. CubeSat itse on eritelmä, ei pala hyllystä, joten Pumpkin päätti valmistaa sarjoja ja myydä niitä. Jos sinulla on oma raketti, jonka avulla voit käynnistää CubeSat-laitteesi, 7,500 dollaria he myyvät sinulle CubeSat-paketin.

Tämä sopii yhteen InterOrbital Systemsin TubeSatin kanssa. InterOrbital Systemsillä (IOS) on hinta / suorituskyky, sillä ne heittävät käynnistämisen samaan hintaan. Mutta näyttää siltä, ​​ettei IOS eikä Pumpkin tarjoa ensihoitoja, vaan vain paketteja. Niinpä on vielä harrastajatyötä, mutta sarjat poistavat tekniikan tarpeet ja jättävät vain hauskan osan kokoonpanosta ja integroinnista.

TubeSat ja CubeSat, kaksi vaihtoehtoa pikosatelliitista, ja neljännekset esitetään mittakaavassa

TubeSats ja CubeSats ovat luonnollisesti hieman erilaiset, ja olen ylpeänä siitä, että molemmat edistävät foorumi-sarjaa. Tämä on suuri askel avaruustutkimuksessa. Vaikka mini CubeSat näyttää ikävästi samalta kuin Hellraiser Lemarchand -ruutu.

Kuinka paljon se käynnistää?

Jos rakennat CubeSatin, raketin varmistaminen sen käynnistämiseksi ei ole vaikeaa, vain kallista. Tyypillinen CubeSat-käynnistyskustannus on arviolta 40 000 dollaria. On olemassa useita kaupallisia tarjoajia, jotka lupaavat tulevia CubeSat-raketteja, olettaen että ne kehittyvät. Eri NASAn ja kansainvälisen avaruusaseman hankkeet hyväksyvät joitakin ehdotuksia CubeSat-arkkitehtuurin avulla. Yksityistuotantoon tulee enemmän yrityksiä joka vuosi, joten käynnistysnäkymät ovat entistä vahvemmat.

InterOrbital Systemsin TubeSat-arkkitehtuuri on vaihtoehtoinen kaavio. Tällä hetkellä vain InterOrbital tukee, se on erittäin kustannustehokas. Saat kaavioita, tärkeimpiä laitteistokomponentteja ja käynnistyksen niiden vielä kehitettävässä raketissa 8 000 dollarin hintaan. TubeSat käyttää hieman pidempää kuusikulmaista arkkitehtuuria, jonka pituus on 12 cm ja halkaisija 4 cm.

Voit myös työskennellä mukautetun arkkitehtuurin kanssa, jos sinulla on pääsy rakettien käyttöön (ehkä kollegion tai yliopiston kautta), mutta tällä hetkellä kaksi tärkeintä pelaajaa ovat avoin CubeSat-spec ja yksityinen TubeSat-vaihtoehto.

Missä on kiertorata?

Missä picosatellite menee? Lähes oletetaan, että picosatellite menee matalan maanpinnan kiertoradalle (LEO), joka on laajakaista, joka vaihtelee noin 150 km: stä ehkä jopa 600 km: iin. Tällä alueella on myös monia tieteellisiä satelliitteja ja kansainvälistä avaruusasemaa (ISS). Se on ionosfäärissä ja sen alapuolella, hyvin, hyvin ohuessa ilmakehän osassa, joka myös yhtyy suureen osaan maapallon magneettikentästä.

Maapallon magneettikenttä suojaa meitä Sunin kovimmalta toiminnalta. Korkean energian hiukkaset, flare-päästöt ja koronaalipurkaukset (CME: t, pohjimmiltaan Sun-tavaroiden läiskät) saavat magneettikentän häiriintyä ennen kuin ne pääsevät maahan. Kun magneettikentän linjat uppoavat napojen lähelle, tämä energia ilmaisee itsensä aurorana.

Alhaisen maan kiertoradanäkymä aurorasta (kuva ISS006E18372, NASA: n mukavuus)

Ionosfäärin yläpuolella avaruusympäristö voi olla vihamielinen aurinkoaktiivisuuden vuoksi. Sen alapuolella säteilyn riskit ovat paljon pienemmät. Siksi ISS pidetään LEO: ssa. LEO on sydämellään noin yhtä turvallinen kuin tila voi saada. Se on myös siellä, missä picosatellite on todennäköisesti elossa.

Tyypillisellä LEO-kiertoradalla on noin 90 minuutin jakso. Toisin sanoen se pyörii ympäri maapalloa kerran 90 minuutin välein ja tekee noin 15 kiertorataa päivässä. Orbitit voidaan sijoittaa maapallon päiväntasaajan (ekvatoriaaliset kiertoradat) tai silmukan lähelle pohjoisesta etelänavaan (polaariset kiertoradat). Samalla tavoin kiertoradat voivat olla lähes pyöreitä tai olla erittäin epäkeskisiä - tulevat lähemmäksi maata kiertoradan toisessa päässä ja sitten liikkuvat kaukana toisesta.

Kuinka kauan satelliittini kestää?

Oman kiertoradan määrittelee se, mitä rakettitoimittaja on myynyt sinulle. Harrastajatasolla saat todennäköisesti todennäköisimmin normaalin 250 km: n tai niin lähes pyöreän kiertoradan, joko päiväntasaajan tai polaarisen. Tällainen kiertorata kestää (vaimean ionosfäärin vetämisen takia) 3 - 16 viikkoa ennen kuin satelliitti kärsii tulista uudelleen.

Picosatellite-massoilla tämä tarkoittaa, että satelliittisi nousee eikä palaa. Sinulla on alle kolme kuukautta aikaa kerätä tietoja. Pikkosatelliitti höyrystyy sitten pohjimmiltaan uudelleenkäytön jälkeen (ilman avaruusriskiä!)

Miten sää nousee siellä?

LEO-olosuhteet ja elinkelpoisuus

Ionosfääriä kutsutaan, koska se on hyvin ohut plasma sähköisesti varautuneista atomeista (ioneista) ja elektroneista johtuen auringon ultraviolettisäteilystä (UV). Teknisesti se ulottuu noin 50 km: stä yli 1 000 km: iin (kiitos Wikipedia!), Mutta LEO alkaa 150 km: n alapuolella, joten sitä ei voi ylläpitää. Ionosfääri, kuten edellä mainittiin, on auringon aktiivisuudesta. Aurinkoon päin oleva osa on enemmän ionisointia; myös aurinkoaktiviteetti voi ajaa sen käyttäytymistä voimakkaasti. Magneettikentän linjassa on myös pilkkuja, jotka johtavat säteilyn lisääntymiseen alemmilla korkeuksilla. Mainitsimme pylväät ja alueet, kuten Etelä-Atlantin poikkeama (SAA), ovat myös kenttälinjoja, jotka pienenevät.

Jos lähetät antureita, haluat varmistaa pari asiaa:

  • Niillä on herkkyystaso, joka vastaa mitattavan signaalin tasoa.
  • Niillä on dynaaminen alue, jonka avulla voit poimia merkityksellisiä tietoja.

LEO-lämpötilat

LEO-metallilevy vaihtelee välillä -170 ° C - 123 ° C sen auringonvalon ja auringonvalon ajan mukaan. Jos picosatellite on kehruu, tämä tasoittaa lämpöjakauman hieman, mutta se on oletettavissa oleva alue. Kiertoradalla on noin puolet ajastaan ​​auringonvalossa ja toinen puoli maapallon varjossa, joten lämpötilakäyttäytymistä kannattaa mallintaa.

Koska picosatellite on kehruu, tämä alue on onneksi pienempi (koska lämmöllä on aikaa levittää ja hajottaa), ja 90 minuutin kiertoradalla sinun pitäisi kiertää kolmella alueella: liian kylmä rekisteröityä varten; siirtymäalueet, joissa anturi palauttaa kelvolliset, hitaasti muuttuvat tiedot; ja mahdollisesti ylikyllästyneet korkealla. Voit lisätä lämmittimen tarvittaessa - satelliitit ovat käyttäneet lämmittimiä ja jäähdyttimiä laitteesta riippuen.

Siksi lämpöanturi (kuten microDig Hot -merkkisensori), joka kattaa –40 ° C - 100 ° C, riittää. Mittausalue on –40 ° C - 100 ° C. Joka tapauksessa, tämän alueen jälkeen, muualla satelliittielektroniikassa voi olla ongelmia.

LEO-valo

Samoin valoa ilmaiseva anturi, joka käyttää kehruu-picosatelliittiä, palaa todennäköisesti vain binäärisignaalin: super-kirkkaan auringonäkymän ja Sun ei ole näkyvissä. Joten kaikki, mitä se mittaa, on aika, jolloin aurinko on näkyvissä. Valoanturien toiminta on pitkälti binäärinen, jolloin Sun-dark-syklien saaminen pyörii, samoin kuin kiertoradan yleinen päivä- / yöjakso. Jos satelliitissa on pieni rumpu, sitäkin parempi. Nämä valoanturit tarjoavat satelliitin sijainnin ja ryömityksen perustason. Jos haluat mitata todellista valon tasoa, suunnittelusi on varmistettava, että Sun ei kyllästy ilmaisimeen.

LEO-magneettikenttä

Ionosfäärin kenttävoimakkuus on 0,3–0,6 gaussia, vaihteluilla 5%. Polaarisen kiertoradan kohdalla sinulla on suurempi vaihtelu ja korkeammat magneettikentät kuin ekvatoriaalinen kiertorata (kuten maapallon magneettikentät putoavat lähellä napoja, siis aurorat). Jos haluat mitata vaihtelua, ei kentän voimakkuutta, sinun on kaapattava 0,06–0,1 Gauss-signaalia. $ 10 Hall-tehosensori ja op-vahvistin voivat mitata vaihteluja jopa 0,06 gaussiin, jos suurta ulkoista magneettikenttää ei ole. Tämän jälkeen anturin piirien, ei anturin, aiheuttama melu on todennäköisesti rajoittava tekijä.

Entä hiukkasista (säteilystä) aiheutuvat vahingot?

Tehtäväikä on lyhyt (alle kolme kuukautta), joten sinun ei tarvitse huolehtia kumulatiivisista vahingoista. Käytin aikaisemmin säteilyvahinkomalleja koulussa, ja kävi ilmi, että moderni elektroniikka on yllättävän kestävää lyhyessä ajassa. Sinulla on ensisijaisesti yhden tapahtuman häiriöitä (SEP), jotka sekoittavat anturia tai tietokonetta, mutta koska et todennäköisesti tarvitse 100%: n käyttöaikaa, tämän ei pitäisi olla ongelma. Itse asiassa glitches lisää mielenkiintoista luonnetta johdetuille tiedoille. Jos kohtaat aurinkomyrskyn, on mielenkiintoista nähdä, miten anturit käsittelevät sitä, joko kylläisyydellä tai harhaanjohtavilla signaaleilla. Suhteellinen laskuri tai ersatz-ekvivalentti (kuten microDig Reach) voi mitata näitä hiukkaslukuja.

Ja lopuksi tärkeintä tietää:

Mikä on minun tehtäväni?

Mitä henkeä haluat, että picosatellite tekisi? Voit tyypillisesti hajottaa tyypilliset picosat palydin valinnat tieteen tehtäviin, suunnittelutehtäviin ja taideteoksiin. Tieteen hyötykuorma mittaa tavaraa. Tekninen hyötykuorma testaa laitteistoa tai ohjelmistoa. Taidehanke tuo esille korkean konseptin. Vierailemme jokaiseen.

Tiedettä!

Tieteellisessä tehtävässä picosatellite mittaa jotain. Tiede on keskellä mittausta. Tehtäviä voi tehdä kolmella eri tavalla: osoittaminen, in situ ja insinööri.

Osoitettu tehtävä on kuin kaukoputki. Sinun picosatellite osoittaa kiinnostavan kohteen - auringon, kuun, tähdet, taivas taustan tai maan - ja tarkkailee sitä. Huomaa, että maapallon osoittaminen edellyttää lisenssiä - ei vaikea saada, mutta yksityisyyttä suojataan harrastustilassa.

Voit kohdistaa satunnaisesti, mutta se ei näytä olevan kovin hyödyllinen. Voit asettaa kyselytilan, jossa picosatelliitille annetaan tietty orientaatio kiertoradalla niin, että jokainen kiertorata pyyhkäisee taivaalla ennustettavalla tavalla. Tai voit tehdä aktiivisen osoituksen, jolloin picosatellite näyttää missä haluat.

Aktiivinen osoittaminen on melko haastavaa. Sinun täytyy tietää sijaintisi hyvin tarkasti. Inertiaviittausten käyttäminen - tieto alkuperäisestä kiertoradasta ja sisäinen ennuste siitä, miten satelliitti kulkee - on epätarkka anturin osoittamista varten. Siksi osoittaminen vaatii tyypillisesti jonkinlaista tähtiä. Nämä ovat kaksi tai useampia laaja-alaisia ​​kaukoputkia, jotka kuvaavat taivasta ja vertaavat sitä tunnettujen kirkkaiden referenssitähtien aluksella olevaan luetteloon.

Tähtien seuranta on teknisesti monimutkaista, ja se todennäköisesti ylittää tyypillisen picosatuellin paino- ja suunnittelurajoitukset. Katso lisätietoja kohdasta “Engineering!” Alla.

Tavallisempi picosatellite-tieteen käyttö on in situ -mittauksia. Tämä on sellaisten anturien käyttö, jotka mittaavat alueen, jossa satelliitti on, ilman että se tarvitsee osoittaa. Lämpömittari on täydellinen esimerkki in situ -ilmaisimesta. Se mittaa lämpötilaa, eikä sinun tarvitse tarkasti osoittaa, että se toimii.

Muut LEO: n in situ mittaukset voivat sisältää ionosfäärin sähkö- ja magneettikentän, auringon valon tai heijastuneen maan hehkun, mitata ionosfääristä tiheyttä tai seurata kiertoradan kinematiikkaa ja paikannusta (miten liikut).

Tai ehkä et halua mitata jotakin tieteellisesti, haluat vain rakentaa tavaraa. Se on suunnittelua.

Engineering!

Tekninen picosatellite käyttää alustaa kokeilemaan uusia avaruuslaitteistokonsepteja tai antamaan sinulle käytännön omien tunnettujen avaruuslaitteiden muunnelmien rakentamisessa.

Voit tehdä picosatuellin testaamaan mitä tahansa laitteistokomponentteja.Uusi voimajärjestelmä, uusi paikannusmenetelmä, uuden tyyppinen radio- tai releviestintä, uudet anturit - todella kaikki satelliitin komponentit voidaan rakentaa ja parantaa.

Kolme unssia lentokelpoista instrumentointia

Joissakin picosatellite-projekteissa on testattu - pienessä mittakaavassa - uusia satelliittikäyttöisiä propulsiokonsepteja, jotka ulottuvat ionimoottoreista aurinkopurjeihin. Haluatko testata puhallettavan avaruusaseman pienoiskoossa, tai katso, voitko tehdä picosatuellon, joka avautuu muodostaen suuren ham radion pomppipisteen? Rakentaa se!

Toinen tekniikan motiivi voi olla testata tiettyjä komponentteja: esimerkiksi vertaamalla mukautettua elektroniikkalaitetta kaupallista off-the-shelf-komponenttia (COTS) vastaan, jotta voidaan nähdä, voidaanko satelliitit (minkä tahansa kokoiset) olla kustannustehokkaampia. Voit myös testata uusia tietojenkäsittelymenetelmiä tai vaihtoehtoisia menetelmiä junan toiminnassa.

Innovaatioita toiminnassa on osa teknisiä tavoitteita, joita kannattaa tutkia edelleen. Picosatelliitteja voitaisiin käyttää satelliittien konstellaation koordinoinnin testaamiseen. Ne voivat olla koepenkkejä orbitaalisiin mekaniikan tutkimuksiin tai opetuksia koordinoiduissa satelliittioperaatioissa. Halvin tapa päästä tilaan, ne ovat erinomaisia ​​testialustoja uusien satelliittityötapojen prototyyppien valmistamiseksi ennen siirtymistä miljoonaan dollariin.

Art Concept!

Lopuksi on käsitteitä. Oma ”Project Calliope” TubeSat kerää ionosfäärin in situ -mittauksia ja lähettää ne maapallolle musiikkina, prosessina, jota kutsutaan sonificationiksi. Tarkoituksena on palauttaa avaruuden rytmi- ja aktiivisuustaso mieluummin kuin numeeriset tiedot, jotta saamme tunteen siitä, miten aurinko-maapallon järjestelmä käyttäytyy.

Ette ole todellinen tehtävä ennen kuin sinulla on oma lento-korjaustiedosto.

Voit käynnistää satelliitin tekemään mitään. Lähetä tuhka avaruuteen. Laita ylös Himalajan rukouslippu. Käynnistä titaani-vihkisormus kiertoradalle. Kaikki taiteen, musiikin tai taiteen / musiikin / tieteen hybridi-idea on tervetullut, koska se on satelliitti. Antakaa sille vain tarkoituksen tai hyödyllisyyden kuin pelkästään spektaakkeli, että voit aloittaa oman satelliitin.

Tieteen määrittäminen (courtesy science20.com/skyday)

Ratkaise vuosikymmenen ongelma koko ihmiskunnalle

Tässä on suunnittelutoiminto, joka pyytää sinua keksimään satelliitin. Ei ole kyse siitä, pystytkö rakentamaan, mutta voitko kuvitella ja hahmotella ajatuksen, joka kannattaa rakentaa ensiksi.

Valitse yksi maanpäällisen tarkkailun, heliofysiikan, tähtitieteen tai planeettatieteen kymmenestä tavoitteesta ja suunnittele tehtävän käsite täyttääkseen tämän tehtävän pienellä satelliittialustalla - NASA SMEX tai pienempi.

Keksi satelliitti ja tee viiden minuutin pituus, jonka voisitte esittää NASAlle pyytääkseen rahoitusta. Rajoita itsesi satelliittiin, jossa on yksi tai kaksi (korkeintaan) instrumenttia. Tässä muutamia vuosikymmeniä viittaavia linkkejä:

  • 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/

Yksi esimerkki vuosikymmenen tavoitteesta maapallon tarkkailusta saattaa olla:

Jääpalojen ja merenpinnan muuttaminen. Tuleeko katastrofaalinen romahtaminen tärkeimmistä jääpaloista, mukaan lukien Grönlannin ja Länsi-Etelämantereen, ja jos on, kuinka nopeasti tämä tapahtuu? Mitkä ovat merenpinnan nousun aikamallit?

Hyvä kenttä saattaa sisältää:

  • Tehtävän yhteenvetotaulukko (tyyppi / aallonpituus / tavoite / kuka / kiertorata)
  • Aikaisempien tehtävien historia, jotka käsittelivät tätä
  • Luettelo halutusta instrumentin kuormituksesta: mitä instrumenttityyppejä ja mitä ne mittaavat ja tarvitsevatko tarkennusoptiikkaa vai ei
  • Erottelutarkkuusalue ilmaisinta kohti (spatiaalinen, spektrinen, ajoitus, kirkkaus)
  • Kustannusarvio, joka perustuu vertailuun / analogiaan vastaaviin tehtäviin

Harkitse hyvä piki, harkitse, onko:

  • Sinun tavoite ja satelliitti ovat uskottavia.
  • Sinun lähestymistapa näyttää selvästi olevan oikea lähestymistapa tehtävään.

Tämä on sekä liike- että akateemisten ehdotusten taito, jossa sinun ei tarvitse vain vakuuttaa yleisöä siitä, että olet oikea henkilö tehtävään, vaan myös, että itse tehtävä on syytä tehdä!

Oman picosatuellin rakentaminen ei ole vain keino lopettaa, vaan itsessään arvoinen tavoite. Vaikka et koskaan aloita sitä, omien todellisten satelliittien tuottama osaaminen ja kokemus voi olla mahtava kokemus.

Tämä artikkeli on mukautettu DIY-satelliittialustojen ja DIY-instrumenttien avulla Amatööritilaa varten Sandy Antunes. Tämä sarja, joka sisältää myös Surviving Orbit, DIY-tapa, on syvällinen ja käyttäjäystävällinen resurssi potentiaalisille avaruusalusten rakentajille, jotka ovat saatavilla Maker Shedissä osoitteessa makershed.com. Katso neljännen sarjan sarjasta, DIY-tietoliikenne Amatööri-avaruusaluksille, tulossa tänä kesänä.

Osake

Jättänyt Kommenttia