CubeSat — это класс миниатюрных спутников форм-фактора кубов размером 10 см (3,9 дюйма) . [1] CubeSats имеют массу не более 2 кг (4,4 фунта) на единицу, [2] и часто используют коммерческие готовые компоненты (COTS) для своей электроники и конструкции. CubeSats выводятся на орбиту развертывателями Международной космической станции или запускаются в качестве вторичной полезной нагрузки на ракете-носителе . [3] По состоянию на декабрь 2023 года было запущено более 2300 CubeSat. [4][обновлять]
В 1999 году профессор Калифорнийского политехнического государственного университета (Cal Poly) Джорди Пуч-Суари и Боб Твиггс , профессор Лаборатории разработки космических систем Стэнфордского университета , разработали спецификации CubeSat для продвижения и развития навыков, необходимых для проектирования, производства и испытаний космических систем. небольшие спутники, предназначенные для низкой околоземной орбиты (НОО), которые проводят научные исследования и исследуют новые космические технологии. На долю академических кругов приходилось большинство запусков CubeSat до 2013 года, когда более половины запусков осуществлялось в неакадемических целях, а к 2014 году большинство вновь развернутых CubeSat предназначались для коммерческих или любительских проектов. [3]
Функции обычно включают в себя эксперименты, которые можно миниатюризировать или использовать для таких целей, как наблюдение Земли или любительское радио . CubeSats используются для демонстрации технологий космических аппаратов, предназначенных для небольших спутников или которые представляют сомнительную осуществимость и вряд ли оправдают стоимость более крупного спутника. Научные эксперименты с недоказанной базовой теорией также могут оказаться на борту CubeSats, поскольку их низкая стоимость может оправдать более высокие риски. Полезная нагрузка для биологических исследований выполнялась в нескольких миссиях, и планируется еще больше. [6] Несколько миссий на Луну и за ее пределы планируют использовать CubeSats. [7] Первые спутники CubeSat в глубоком космосе были запущены в рамках миссии MarCO , где два спутника CubeSat были запущены к Марсу в мае 2018 года одновременно с успешной миссией InSight . [8]
Некоторые спутники CubeSat стали первыми в стране спутниками , запущенными университетами, государственными или частными компаниями. В доступной для поиска базе данных наноспутников и CubeSat перечислено более 4000 CubeSat, которые были запущены или планируются к запуску с 1998 года. [4]
Профессора Джорди Пуч-Суари из Калифорнийского политехнического государственного университета и Боб Твиггс из Стэнфордского университета в 1999 году предложили эталонный проект CubeSat [9] [10] : 159 с целью дать аспирантам возможность проектировать, строить, тестировать и эксплуатировать в космосе космические корабли . с возможностями, аналогичными возможностям первого космического корабля «Спутник» . CubeSat, как первоначально предлагалось, не собирался становиться стандартом; скорее, со временем он стал стандартом в процессе появления . Первые CubeSats были запущены в июне 2003 года на российском спутнике Eurockot , а к 2012 году на орбиту вышло около 75 CubeSat. [11]
Потребность в таком малогабаритном спутнике стала очевидной в 1998 году в результате работы, проделанной в Лаборатории разработки космических систем Стэнфордского университета. В SSDL студенты работали над микроспутником OPAL (орбитальная автоматическая пусковая установка для пикоспутников) с 1995 года . работать «большую часть времени». Поскольку задержки проекта росли, Твиггс обратился за финансированием DARPA , что привело к перепроектированию механизма запуска в простую концепцию толкающей пластины, в которой спутники удерживались на месте подпружиненной дверью. [10] : 151–157.
Желая сократить цикл разработки OPAL и вдохновленный пикоспутниками OPAL, Твиггс решил выяснить, «насколько можно уменьшить размер и при этом иметь практичный спутник». Пикоспутники на OPAL имели размеры 10,1 см × 7,6 см × 2,5 см (4 дюйма × 3 дюйма × 1 дюйм), размер, который не позволял покрыть все стороны космического корабля солнечными элементами. Вдохновленный кубической пластиковой коробкой размером 4 дюйма (10 см), используемой для демонстрации Beanie Babies в магазинах, [6] Твиггс сначала остановился на более крупном десятисантиметровом кубе в качестве ориентира для новой концепции CubeSat. Для нового спутника была разработана модель ракеты-носителя с использованием той же концепции толкающей пластины, которая использовалась в модифицированной ракете-носителе OPAL. Твиггс представил эту идею Пуиг-Суари летом 1999 года, а затем на конференции Японско-американской программы науки, технологий и космических приложений (JUSTSAP) в ноябре 1999 года. [10] : 157–159
Термин «CubeSat» был придуман для обозначения наноспутников , соответствующих стандартам, описанным в спецификации проекта CubeSat. Калифорнийский политехнический университет опубликовал стандарт под руководством профессора аэрокосмической техники Хорди Пуч-Суари. [12] Боб Твиггс с кафедры аэронавтики и астронавтики Стэнфордского университета и в настоящее время преподаватель факультета космических наук в Университете штата Морхед в Кентукки внес свой вклад в сообщество CubeSat. [13] Его усилия были сосредоточены на CubeSat из образовательных учреждений. [14] Спецификация не распространяется на другие наноспутники кубической формы, такие как наноспутник НАСА «MEPSI», который немного больше CubeSat. GeneSat-1 был первым полностью автоматизированным, автономным биологическим космическим экспериментом НАСА на спутнике такого размера. Это также был первый спутник CubeSat, запущенный в США. Эта работа, возглавляемая Джоном Хайнсом из NASA Ames Research, стала катализатором всей программы NASA CubeSat. [15]
В 2017 году усилия по стандартизации привели к публикации Международной организацией по стандартизации стандарта ISO 17770:2017 . [16] Этот стандарт определяет технические характеристики CubeSat, включая их физические, механические, электрические и эксплуатационные требования. [17] Он также предоставляет спецификацию интерфейса между CubeSat и его ракетой-носителем, в которой перечислены возможности, необходимые для выживания в условиях окружающей среды во время и после запуска, и описывается стандартный интерфейс развертывания, используемый для запуска спутников. Разработка стандартов, общих для большого количества космических аппаратов, способствует значительному сокращению времени разработки и стоимости миссий CubeSat.
Спецификация CubeSat решает несколько задач высокого уровня. Основная причина миниатюризации спутников — снижение стоимости развертывания: их часто можно запускать несколькими партиями, используя избыточную мощность более крупных ракет-носителей. Конструкция CubeSat специально минимизирует риск для остальной части ракеты-носителя и полезной нагрузки. Инкапсуляция интерфейса «пусковая установка — полезная нагрузка » устраняет объем работы, который ранее требовался для сопряжения контрейлерного спутника с его пусковой установкой. Унификация полезной нагрузки и пусковых установок обеспечивает быструю замену полезной нагрузки и использование возможностей запуска в короткие сроки.
Стандартные CubeSat состоят из блоков размером 10 см × 10 см × 11,35 см (3,94 дюйма × 3,94 дюйма × 4,47 дюйма), предназначенных для обеспечения 10 см × 10 см × 10 см (3,9 дюйма × 3,9 дюйма × 3,9 дюйма) или 1 л ( 0,22 имп галлона; 0,26 галлона США) полезного объема, при этом каждая единица весит не более 2 кг (4,4 фунта). [2] Наименьший стандартный размер составляет 1U и состоит из одного блока, тогда как наиболее распространенным форм-фактором был 3U, на который приходилось более 40% всех наноспутников, запущенных на сегодняшний день. [18] [19] Более крупные форм-факторы, такие как 6U и 12U, состоят из модулей 3U, установленных рядом друг с другом. [2] В 2014 году для морского наблюдения были запущены два спутника Perseus-M CubeSat высотой 6U, самые крупные на тот момент. Миссия Mars Cube One (MarCO) в 2018 году запустила к Марсу два кубсата высотой 6U. [20] [21]
Также существуют меньшие нестандартные форм-факторы; Аэрокосмическая корпорация построила и запустила два спутника CubeSat размером 0,5U меньшего размера для измерения радиации и демонстрации технологий, [22] в то время как Swarm Technologies построила и развернула группировку из более чем ста спутников CubeSat размером 0,25U для услуг связи IoT . [23] [24]
Поскольку почти все CubeSat имеют размеры 10 см × 10 см (3,9 дюйма × 3,9 дюйма) (независимо от длины), все они могут быть запущены и развернуты с использованием общей системы развертывания, называемой Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD), разработанной и построенной. Калифорнийского политехнического университета. [25]
В спецификации проекта CubeSat не указаны и не требуются форм-факторы электроники или протоколы связи, но в оборудовании COTS постоянно используются определенные функции, которые многие считают стандартами в электронике CubeSat. Большая часть COTS и специально разработанной электроники соответствует форме PC / 104 , которая не была разработана для CubeSat, но имеет профиль 90 мм × 96 мм (3,5 дюйма × 3,8 дюйма), который позволяет занять большую часть объема космического корабля. Технически форма PCI-104 является вариантом используемого PC/104 [26] , и фактическая используемая распиновка не соответствует распиновке, указанной в стандарте PCI-104. Сквозные разъемы на платах обеспечивают простую сборку и электрическое взаимодействие, и большинство производителей электронного оборудования CubeSat придерживаются одного и того же расположения сигналов, но некоторые продукты этого не делают, поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы обеспечить согласованное расположение сигналов и питания во избежание повреждений. [27]
При выборе электроники необходимо проявлять осторожность, чтобы гарантировать, что устройства смогут выдерживать существующее излучение. Для очень низких околоземных орбит (НОО), на которых вход в атмосферу произойдет всего за несколько дней или недель, радиацию можно в значительной степени игнорировать и использовать стандартную электронику потребительского уровня. Бытовые электронные устройства в течение этого времени могут выдержать НОО-излучение, поскольку вероятность сбоя в результате единичного события (SEU) очень мала. Космические аппараты, находящиеся на постоянной низкой околоземной орбите в течение нескольких месяцев или лет, подвергаются риску и используют только оборудование, разработанное для облученных сред и испытанное в них. Миссии за пределами низкой околоземной орбиты или миссии, которые будут оставаться на низкой околоземной орбите в течение многих лет, должны использовать радиационно-стойкие устройства. [28] Дальнейшие соображения принимаются для работы в высоком вакууме из-за эффектов сублимации , дегазации и металлических усов , которые могут привести к провалу миссии. [29]
Количество соединенных модулей определяет размер CubeSat, и в соответствии со спецификацией проектирования CubeSat они масштабируются только по одной оси, чтобы соответствовать формам 0,5U, 1U, 1,5U, 2U или 3U. Все стандартные размеры CubeSat были построены и запущены и представляют собой форм-факторы почти всех запущенных CubeSat по состоянию на 2015 год. [30] Материалы, используемые в конструкции, должны иметь тот же коэффициент теплового расширения, что и развертыватель, чтобы предотвратить заклинивание. В частности, разрешенными материалами являются четыре алюминиевых сплава: 7075 , 6061 , 5005 и 5052 . Алюминий, используемый в конструкции, которая контактирует с P-POD, должен быть анодирован для предотвращения холодной сварки . При получении разрешения для конструкции могут использоваться и другие материалы. [19] Помимо холодной сварки, особое внимание уделяется выбору материалов, поскольку не все материалы можно использовать в вакууме . Конструкции часто имеют мягкие демпферы на каждом конце, обычно изготовленные из резины, чтобы уменьшить последствия воздействия на другие спутники CubeSat в P-POD.
Стандартные спецификации допускают выступы за пределы максимальных размеров максимум на 6,5 мм (0,26 дюйма) за каждую сторону. Любые выступы не должны мешать направляющим развертывания и обычно заняты антеннами и солнечными панелями. В 13-й редакции Спецификации проекта CubeSat был определен дополнительный доступный объем для использования в проектах высотой 3U. Дополнительный объем стал возможным благодаря пространству, которое обычно тратится впустую в пружинном механизме P-POD Mk III. CubeSat высотой 3U, использующие это пространство, обозначаются как 3U+ и могут размещать компоненты в цилиндрическом объеме с центром на одном конце CubeSat. Цилиндрическое пространство имеет максимальный диаметр 6,4 см (2,5 дюйма) и высоту не более 3,6 см (1,4 дюйма), при этом не допускается увеличение массы сверх максимального значения 3U, равного 4 кг (8,8 фунта). Двигательные установки и антенны являются наиболее распространенными компонентами, которым может потребоваться дополнительный объем, хотя полезная нагрузка иногда простирается и в этот объем. Отклонения от требований к размерам и массе могут быть исключены после подачи заявки и переговоров с поставщиком услуг запуска . [19]
Структуры CubeSat не имеют таких же проблем с прочностью, как более крупные спутники, поскольку у них есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что развертыватель поддерживает их структурно во время запуска. [31] Тем не менее, некоторые CubeSats пройдут анализ вибрации или структурный анализ , чтобы гарантировать, что компоненты, не поддерживаемые P-POD, останутся структурно надежными на протяжении всего запуска. [32] Несмотря на то, что CubeSats редко подвергается анализу, как это делают более крупные спутники, CubeSats редко выходят из строя из-за механических проблем. [33]
Как и более крупные спутники, CubeSats часто оснащены несколькими компьютерами, параллельно выполняющими различные задачи, включая управление ориентацией (ориентацией), управление питанием, работу полезной нагрузки и задачи основного управления. Системы управления ориентацией COTS обычно включают в себя собственный компьютер, как и системы управления питанием. Чтобы полезные нагрузки были полезными, они должны иметь возможность взаимодействовать с основным компьютером, что иногда требует использования другого небольшого компьютера. Это может быть связано с ограничениями способности основного компьютера управлять полезной нагрузкой с помощью ограниченных протоколов связи, чтобы предотвратить перегрузку основного компьютера обработкой необработанных данных или обеспечить бесперебойную работу полезной нагрузки из-за других вычислительных потребностей космического корабля, таких как связь. Тем не менее, основной компьютер может использоваться для задач, связанных с полезной нагрузкой, которые могут включать обработку изображений , анализ данных и сжатие данных . Задачи, которые обычно выполняет основной компьютер, включают делегирование задач другим компьютерам, управление ориентацией, расчеты орбитальных маневров , планирование и активацию активных компонентов терморегулирования. Компьютеры CubeSat очень чувствительны к радиации, и строители будут принимать специальные меры для обеспечения правильной работы в условиях высокой радиации космоса, например, использовать ECC RAM . Некоторые спутники могут иметь резервирование за счет нескольких основных компьютеров; это можно было бы сделать в отношении важных миссий, чтобы уменьшить риск провала миссии. Бытовые смартфоны использовались для вычислений в некоторых CubeSat, таких как PhoneSats НАСА .
Управление ориентацией (ориентацией) для CubeSat основано на технологии миниатюризации без существенного ухудшения производительности. Переворот обычно происходит сразу после развертывания CubeSat из-за асимметричных сил развертывания и столкновений с другими CubeSat. Некоторые спутники CubeSat нормально работают во время кувырка, но те, которые требуют направления в определенном направлении или не могут безопасно работать во время вращения, необходимо отключить. Системы, выполняющие определение ориентации и управление, включают реактивные колеса , магниторкеры , подруливающие устройства, звездные трекеры , датчики Солнца , датчики Земли, датчики угловой скорости , а также GPS-приемники и антенны . Обычно рассматриваются комбинации этих систем, чтобы использовать преимущества каждого метода и смягчить их недостатки. Реактивные колеса обычно используются из-за их способности передавать относительно большие моменты при любом заданном расходе энергии, но полезность реактивного колеса ограничена из-за насыщения, точки, в которой колесо не может вращаться быстрее. Примеры реактивных колес CubeSat включают Maryland Aerospace MAI-101 [34] и Sinclair Interplanetary RW-0.03-4. [35] Реактивные колеса можно обесцветить с помощью подруливающих устройств или магниторекторов. Двигатели могут создавать большие моменты, сообщая пару на космический корабль, но неэффективность небольших двигательных систем приводит к тому, что в двигателях быстро заканчивается топливо. Практически на всех спутниках CubeSat обычно встречаются магниторкеры, которые пропускают электричество через катушку, чтобы использовать магнитное поле Земли для создания вращающего момента . Модули управления ориентацией и солнечные панели обычно оснащены встроенными магнитодвигателями. Для CubeSat, которым нужно только спуститься, не требуется никакого метода определения ориентации, кроме датчика угловой скорости или электронного гироскопа .
Указание определенного направления необходимо для наблюдения за Землей, орбитальных маневров, максимизации солнечной энергии и использования некоторых научных инструментов. Точность определения направления может быть достигнута путем измерения Земли и ее горизонта, Солнца или определенных звезд. Датчик Солнца SS-411 компании Sinclair Interplanetary [36] и звездный трекер ST-16 [37] имеют применение для CubeSat и имеют летное наследие. Автобус Pumpkin's Colony I использует аэродинамическое крыло для пассивной стабилизации положения. [38] Определение местоположения CubeSat может осуществляться с помощью встроенного GPS, что относительно дорого для CubeSat, или путем передачи данных радиолокационного слежения на корабль из наземных систем слежения.
Движение CubeSat добилось быстрого прогресса в области: холодного газа , химического движения , электрического движения и солнечных парусов . Самая большая проблема, связанная с двигательной установкой CubeSat, — это предотвращение риска для ракеты-носителя и ее основной полезной нагрузки , сохраняя при этом значительные возможности. [39] Компоненты и методы, которые обычно используются в более крупных спутниках, запрещены или ограничены, а Спецификация проекта CubeSat (CDS) требует отказа от давления выше 1,2 атм (120 кПа), более 100 Втч запасенной химической энергии и опасных материалов. . [19] Эти ограничения создают большие проблемы для двигательных систем CubeSat, поскольку типичные космические двигательные системы используют сочетание высокого давления, высокой плотности энергии и опасных материалов. Помимо ограничений, установленных поставщиками услуг по запуску , различные технические проблемы еще больше снижают полезность двигательной установки CubeSat. Подвесную тягу нельзя использовать в небольших двигателях из-за сложности механизмов подвески. Вместо этого вектор тяги должен достигаться за счет асимметричной тяги в многосопловых двигательных установках или за счет изменения центра масс относительно геометрии CubeSat с помощью приводных компонентов. [40] Маленькие двигатели также могут не иметь места для методов дросселирования , которые допускают меньшую, чем полную тягу, что важно для точных маневров, таких как сближение . [41] CubeSats, которым требуется более длительный срок службы, также выигрывают от двигательных установок; при использовании для удержания на орбите двигательная установка может замедлить распад орбиты .
Двигатель с холодным газом обычно хранит инертный газ , такой как азот , в резервуаре под давлением и выпускает газ через сопло для создания тяги. В большинстве систем работа осуществляется с помощью всего одного клапана , что делает холодный газ самой простой и полезной технологией движения. [42] Двигательные установки на холодном газе могут быть очень безопасными, поскольку используемые газы не обязательно должны быть летучими или коррозионными , хотя некоторые системы предпочитают использовать опасные газы, такие как диоксид серы . [43] Эта способность использовать инертные газы очень выгодна для CubeSats, поскольку они обычно не содержат опасных материалов. С их помощью можно достичь только низкой производительности, [42] что предотвращает высокоимпульсные маневры даже на кубсатах малой массы. Из-за такой низкой производительности их использование в CubeSat в качестве главной двигательной установки ограничено, и конструкторы выбирают системы с более высокой эффективностью и лишь незначительным увеличением сложности. Системы холодного газа чаще используются в системе ориентации CubeSat.
Химические двигательные системы используют химическую реакцию для производства газа под высоким давлением и высокой температурой, который ускоряется из сопла . Химическое топливо может быть жидким, твердым или гибридным. Жидкое топливо может представлять собой монотопливо, пропущенное через катализатор , или двухкомпонентное топливо , сжигающее окислитель и топливо . Преимуществами монотоплива являются относительно низкая сложность и высокая тяга, низкие требования к мощности и высокая надежность. Монотопливные двигатели, как правило, имеют большую тягу, оставаясь при этом сравнительно простыми, что также обеспечивает высокую надежность. Эти двигатели практичны для CubeSat из-за их низкого энергопотребления, а также потому, что их простота позволяет им быть очень маленькими. Были разработаны небольшие двигатели, работающие на гидразине , [44] , но для их полетов может потребоваться отказ из-за ограничений на использование опасных химикатов, изложенных в Спецификации проекта CubeSat. [19] Разрабатываются более безопасные химические топлива, которые не требуют отказа от опасных химических веществ, такие как AF-M315 ( нитрат гидроксиламмония ), для которого разрабатываются или были разработаны двигатели. [44] [45] «Двигатель для электролиза воды» технически представляет собой химическую двигательную установку, поскольку он сжигает водород и кислород , которые вырабатываются в результате электролиза воды на орбите . [46]
Электрическая двигательная установка CubeSat обычно использует электрическую энергию для разгона топлива до высокой скорости, что приводит к высокому удельному импульсу . Многие из этих технологий можно сделать достаточно маленькими для использования в наноспутниках, и несколько методов находятся в разработке. Типы электрических двигателей, которые в настоящее время разрабатываются для использования в CubeSat, включают двигатели на эффекте Холла , [47] ионные двигатели , [48] импульсные плазменные двигатели , [49] электрораспылительные двигатели , [50] и резистивные двигатели . [51] Несколько известных миссий CubeSat планируют использовать электрическую двигательную установку, например, Lunar IceCube НАСА . [52] Высокая эффективность, связанная с электрическим движением, может позволить спутникам CubeSat доставить себя на Марс. [53] Электрические двигательные системы неэффективны в использовании энергии, что требует от CubeSat более крупных солнечных элементов, более сложного распределения энергии и часто более крупных батарей. Более того, многие методы электрического движения могут по-прежнему требовать наличия баков под давлением для хранения топлива, что ограничено Спецификацией проектирования CubeSat.
В ESTCube-1 использовался электрический парус на солнечном ветру , который использует электромагнитное поле, чтобы действовать как парус, а не из твердого материала. Эта технология использовала электрическое поле для отклонения протонов солнечного ветра и создания тяги. Он похож на электродинамический трос в том смысле, что для работы кораблю требуется только подача электроэнергии.
Солнечные паруса (также называемые световыми парусами или фотонными парусами) представляют собой форму движения космического корабля, использующую радиационное давление (также называемое солнечным давлением) звезд для разгона больших ультратонких зеркал до высоких скоростей, не требующих топлива. Сила солнечного паруса зависит от площади паруса, что делает паруса хорошо подходящими для использования в CubeSat, поскольку их небольшая масса приводит к большему ускорению для данной площади солнечного паруса. Однако солнечные паруса по-прежнему должны быть довольно большими по сравнению со спутником, а это означает, что необходимо использовать полезные солнечные паруса, что добавляет механическую сложность и является потенциальным источником сбоев. Этот метод движения является единственным, на который не распространяются ограничения, установленные Спецификацией проектирования CubeSat, поскольку он не требует высокого давления, опасных материалов или значительной химической энергии. Лишь немногие CubeSat использовали солнечный парус в качестве основного двигателя и устойчивости в глубоком космосе, в том числе NanoSail-D2 высотой 3U , запущенный в 2010 году, и LightSail-1 в мае 2015 года.
LightSail-2 был успешно развернут на ракете Falcon Heavy в 2019 году, [54] [55] в то время как один CubeSat, который планировалось запустить в рамках первого полета системы космического запуска ( Artemis 1 ) в ноябре 2022 года, должен был использовать солнечный парус. : Разведчик околоземных астероидов (NEA Scout). [56] CubeSat был объявлен потерянным, когда связь не была установлена в течение 2 дней. [57]
CubeSats использует солнечные элементы для преобразования солнечного света в электричество, которое затем сохраняется в перезаряжаемых литий-ионных батареях , обеспечивающих питание во время затмения, а также в периоды пиковой нагрузки. [58] Эти спутники имеют ограниченную площадь поверхности на внешних стенках для сборки солнечных элементов, и ее необходимо эффективно использовать совместно с другими частями, такими как антенны, оптические датчики, объектив камеры, двигательные установки и порты доступа. Литий-ионные батареи имеют высокое соотношение энергии к массе, что делает их хорошо подходящими для использования на космических кораблях с ограниченной массой. Зарядка и разрядка аккумулятора обычно осуществляется специальной системой электропитания (EPS). Батареи иногда оснащены нагревателями [59] для предотвращения достижения батареи опасно низких температур, которые могут привести к отказу батареи и ее работе. [60]
Скорость разложения аккумуляторов зависит от количества циклов их зарядки и разрядки, а также от глубины каждого разряда: чем больше средняя глубина разряда, тем быстрее деградирует аккумулятор. Для миссий на НОО можно ожидать, что количество циклов разряда будет порядка нескольких сотен.
Из-за ограничений по размеру и весу обычные спутники CubeSat, летающие на околоземной орбите с установленными на корпусе солнечными панелями, вырабатывают менее 10 Вт. [61] Миссии с более высокими требованиями к мощности могут использовать систему управления ориентацией , чтобы гарантировать, что солнечные панели остаются в наиболее эффективной ориентации. к Солнцу, а дальнейшие потребности в энергии могут быть удовлетворены за счет добавления и ориентации развертываемых солнечных батарей, которые можно развернуть на значительно большей площади на орбите. Недавние инновации включают дополнительные подпружиненные солнечные батареи, которые разворачиваются сразу после запуска спутника, а также массивы с механизмами термического ножа, которые разворачивают панели по команде. CubeSat не может получать питание между запуском и развертыванием, и он должен иметь штифт для извлечения перед полетом , который отключает все питание, чтобы предотвратить работу во время загрузки в P-POD. Кроме того, переключатель развертывания срабатывает, когда корабль загружается в P-POD, отключая питание космического корабля и деактивируясь после выхода из P-POD. [19]
Низкая стоимость CubeSat обеспечила беспрецедентный доступ к космосу для небольших учреждений и организаций, но для большинства форм CubeSat радиус действия и доступная мощность ограничены примерно 2 Вт для его коммуникационных антенн. [62]
Из-за кувырканий и малого диапазона мощности радиосвязь представляет собой проблему. Многие CubeSat используют всенаправленную монопольную или дипольную антенну , построенную из коммерческой измерительной ленты. Для более требовательных нужд некоторые компании предлагают антенны с высоким коэффициентом усиления для CubeSat, но их системы развертывания и наведения значительно сложнее. [62] Например, Массачусетский технологический институт и Лаборатория реактивного движения разрабатывают надувную тарельчатую антенну на основе майларовой оболочки, надутой сублимирующим порошком , заявляя о семикратном увеличении дальности - потенциально способной достичь Луны - но остаются вопросы относительно живучести после ударов микрометеоров. [63] Лаборатория реактивного движения успешно разработала антенны с высоким коэффициентом усиления X-диапазона и Ka-диапазона для MarCO [64] [65] и радаров в миссиях CubeSat ( RaInCube ). [65] [66] [67]
Традиционно кубсаты на низкой околоземной орбите используют антенны для связи в УВЧ и S-диапазоне. Чтобы отправиться дальше в Солнечную систему, потребуются более крупные антенны, совместимые с сетью дальнего космоса (X-диапазон и Ka-диапазон). Инженеры JPL разработали несколько развертываемых антенн с высоким коэффициентом усиления, совместимых со спутниками CubeSat класса 6U [68] для MarCO [64] [69] и Near-Earth Asteroid Scout . [70] Инженеры JPL также разработали сетчатую рефлекторную антенну диаметром 0,5 м (1 фут 8 дюймов), работающую в Ka-диапазоне и совместимую с DSN [64] [69] [71] , которая складывается в отсек высотой 1,5U. Для MarCO инженеры-антенники JPL разработали отражающую антенну со складной панелью (FPR) [72] , которая подходит для шины CubeSat высотой 6U и поддерживает связь Марс-Земля в X-диапазоне со скоростью 8 кбит/с на высоте 1 а.е.
Различные компоненты CubeSat имеют разные допустимые диапазоны температур, за пределами которых они могут временно или навсегда выйти из строя. Спутники на орбите нагреваются за счет лучистого тепла, излучаемого непосредственно Солнцем и отраженного от Земли, а также тепла, генерируемого компонентами корабля. CubeSats также должен охлаждаться, излучая тепло либо в космос, либо на более холодную поверхность Земли, если она холоднее, чем космический корабль. Все эти источники и поглотители лучистого тепла довольно постоянны и очень предсказуемы, пока известны орбита CubeSat и время затмения.
Компоненты, используемые для обеспечения соблюдения температурных требований в CubeSat, включают многослойную изоляцию и нагреватели для батареи. Другие методы терморегулирования космических аппаратов на небольших спутниках включают размещение определенных компонентов на основе ожидаемой тепловой мощности этих компонентов и, в редких случаях, использование тепловых устройств, таких как жалюзи . Анализ и моделирование тепловой модели космического корабля является важным определяющим фактором при применении компонентов и методов управления температурным режимом. CubeSats с особыми тепловыми проблемами, часто связанными с определенными механизмами развертывания и полезной нагрузкой, перед запуском могут быть испытаны в термовакуумной камере . Такое тестирование обеспечивает большую степень уверенности, чем могут получить полноразмерные спутники, поскольку CubeSats достаточно малы, чтобы полностью поместиться внутри термовакуумной камеры. Датчики температуры обычно размещаются на различных компонентах CubeSat, чтобы можно было принять меры, чтобы избежать опасных температурных диапазонов, например, переориентировать аппарат, чтобы избежать или ввести прямое тепловое излучение в определенную часть, тем самым позволяя ему охладиться или нагреться.
CubeSat представляет собой экономичное независимое средство вывода полезной нагрузки на орбиту. [12] После задержек с недорогими ракетами-носителями, такими как Interorbital Systems , [73] цены на запуск составили около 100 000 долларов за единицу, [74] [75] , но новые операторы предлагают более низкие цены. [76] Типичная цена запуска кубсата высотой 1U с контрактом на полное обслуживание (включая сквозную интеграцию, лицензирование, транспортировку и т. д.) в 2021 году составляла около 60 000 долларов США.
Некоторые CubeSat имеют сложные компоненты или инструменты, такие как LightSail-1 , стоимость строительства которых исчисляется миллионами долларов, [77] но базовый CubeSat высотой 1U может стоить около 50 000 долларов. [78] Это делает CubeSats жизнеспособным вариантом для некоторых школ, университетов и малого бизнеса.
В базе данных наноспутников и Cubesat перечислено более 2000 CubeSat, запущенных с 1998 года. [4] Один из первых запусков CubeSat состоялся 30 июня 2003 года из Плесецка, Россия, с помощью многоорбитальной миссии Eurockot Launch Services . CubeSat были выведены на солнечно-синхронную орбиту и включали датские AAU CubeSat и DTUSat, японские XI-IV и CUTE-1, канадский Can X-1 и американский Quakesat . [79]
13 февраля 2012 года три развертывающих модуля P-POD, содержащие семь спутников CubeSat, были выведены на орбиту вместе со спутником Lares на борту ракеты Vega , запущенной из Французской Гвианы. Запущены спутники CubeSat: e-st@r Space (Туринский политехнический университет, Италия), Goliat (Университет Бухареста, Румыния), MaSat-1 (Будапештский технологический и экономический университет, Венгрия), PW-Sat (Варшавский технологический университет, Польша), Robusta (Университет Монпелье 2, Франция), UniCubeSat-GG (Римский университет Ла Сапиенца, Италия) и XaTcobeo (Университет Виго и INTA, Испания). CubeSats были запущены в рамках проекта Европейского космического агентства «Vega Maiden Flight». [80]
13 сентября 2012 года одиннадцать спутников CubeSat были запущены с восьми P-POD как часть вторичной полезной нагрузки OutSat на борту ракеты United Launch Alliance Atlas V. [81] Это было самое большое количество CubeSat (и самый большой объем 24U), выведенных на орбиту за один запуск, что стало возможным благодаря новой системе запуска NPS CubeSat (NPSCuL), разработанной в Военно-морской аспирантуре (NPS). Это были CubeSat: SMDC-ONE 2.2 (Baker), SMDC-ONE 2.1 (Able), AeroCube 4.0(x3), Aeneas, CSSWE , CP5, CXBN , CINEMA и Re (STARE). [82]
Пять CubeSat ( Raiko , Niwaka , We-Wish , TechEdSat , F-1 ) были выведены на орбиту с Международной космической станции 4 октября 2012 года в качестве демонстрации технологии развертывания малых спутников с МКС. Они были запущены и доставлены на МКС в качестве груза «Коунотори-3» , а астронавт МКС подготовил механизм развертывания, прикрепленный к роботизированной руке японского экспериментального модуля . [83] [84] [85]
Четыре спутника CubeSat были запущены с помощью Cygnus Mass Simulator , который был запущен 21 апреля 2013 года в ходе первого полета ракеты Antares компании Orbital Sciences . [86] Три из них представляют собой PhoneSat высотой 1U, построенные Исследовательским центром Эймса НАСА для демонстрации использования смартфонов в качестве авионики в CubeSat. Четвертым стал спутник высотой 3U под названием Dove-1, построенный Planet Labs .
26 апреля 2013 года был запущен NEE-01 Pegaso , который стал первым CubeSat, способным передавать живое видео с орбиты, а также первым CubeSat высотой 1U, установленная мощность которого превысила 100 Вт. Позже, в ноябре того же года, NEE-02 Krysaor также передал живое видео с орбиты. Оба спутника CubeSat были построены Эквадорским космическим агентством .
Всего 11 февраля 2014 года с МКС было запущено тридцать три спутника CubeSat. Из этих тридцати трех двадцать восемь входили в созвездие CubeSat для получения изображений Земли Flock-1 . Из остальных пяти двое — из других американских компаний, двое — из Литвы и одно — из Перу. [87]
LightSail -1 — это прототип CubeSat высотой 3U, приводимый в движение солнечным парусом . Он был запущен 20 мая 2015 года из Флориды. Его четыре паруса изготовлены из очень тонкого майлара и имеют общую площадь 32 м 2 (340 кв. футов). Это испытание позволит провести полную проверку систем спутника перед основной миссией 2016 года. [88]
5 октября 2015 г. с МКС был запущен спутник AAUSAT5 (Ольборгский университет, Дания). запущен в рамках проекта «Fly Your Satellite!» Программа Европейского космического агентства. [89]
Миниатюрный рентгеновский солнечный спектрометр CubeSat представляет собой аппарат высотой 3U, запущенный на Международную космическую станцию 6 декабря 2015 года, откуда он был развернут 16 мая 2016 года. Это первая миссия, запущенная группой интеграции CubeSat Управления научных миссий НАСА , [90] который ориентирован на научные исследования с помощью CubeSats. По состоянию на 12 июля 2016 года минимальный критерий успеха миссии (один месяц научных наблюдений) был соблюден, но космический корабль продолжает работать номинально, а наблюдения продолжаются. [91]
Три спутника CubeSat были запущены 25 апреля 2016 года вместе с Sentinel-1B на ракете «Союз VS14», запущенной из Куру, Французская Гвиана. Это были спутники: AAUSAT4 (Ольборгский университет, Дания), e-st@r-II (Туринский политехнический университет, Италия) и OUFTI-1 (Университет Льежа, Бельгия). CubeSats были запущены в рамках программы «Fly Your Satellite!» Программа Европейского космического агентства. [92]
15 февраля 2017 года Индийская организация космических исследований ( ISRO ) установила рекорд, запустив 104 спутника на одной ракете. Запуск PSLV-C37 с одной полезной нагрузкой, включая серию Cartosat-2 и 103 пассажирских спутника, вместе весил более 650 кг (1430 фунтов). Из 104 спутников все, кроме трёх, были CubeSat. Из 101 наноспутника 96 были из США и по одному из Израиля, Казахстана, Нидерландов, Швейцарии и Объединенных Арабских Эмиратов. [93] [94]
Запуск стационарного посадочного модуля InSight на Марс в мае 2018 года включал в себя два спутника CubeSat, которые пролетели мимо Марса для обеспечения дополнительной ретрансляционной связи от InSight с Землей во время входа и посадки. [95] Это первый полет CubeSat в глубокий космос. Технология миссии CubeSat называется Mars Cube One (MarCO); каждый из них представляет собой шестиюнитовый CubeSat размером 14,4 × 9,5 × 4,6 дюйма (37 см × 24 см × 12 см). MarCO — это эксперимент, но не обязательный для миссии InSight , по добавлению ретрансляционной связи к космическим миссиям в важные промежутки времени, в данном случае от момента входа InSight в атмосферу до его приземления.
MarCO был запущен в мае 2018 года с помощью спускаемого аппарата InSight , отделился после запуска и затем отправился по своей собственной траектории к Марсу. После разделения оба космических корабля MarCO развернули две радиоантенны и две солнечные панели. Антенна X-диапазона с высоким коэффициентом усиления представляет собой плоскую панель для направления радиоволн. MarCO направилась к Марсу независимо от посадочного модуля InSight , самостоятельно корректируя курс во время полета.
Во время входа , спуска и посадки InSight (EDL) в ноябре 2018 года [95] спускаемый аппарат передал телеметрию в радиодиапазоне УВЧ на пролетающий над головой марсианский разведывательный орбитальный аппарат (MRO) НАСА . MRO пересылал информацию EDL на Землю, используя радиочастоту в диапазоне X, но не может одновременно получать информацию в одном диапазоне при передаче в другом. Подтверждение об успешной посадке можно было получить на Земле через несколько часов, поэтому MarCO представлял собой технологическую демонстрацию телеметрии в реальном времени во время приземления. [96] [97] [98]
Инициатива запуска CubeSat НАСА, созданная в 2010 году [99] , предоставляет возможности запуска CubeSat образовательным учреждениям, некоммерческим организациям и центрам НАСА. По состоянию на 2016 год в рамках [обновлять]инициативы по запуску CubeSat было запущено 46 спутников CubeSat в рамках 12 миссий ELaNa от 28 уникальных организаций и отобрано 119 миссий CubeSat от 66 уникальных организаций. Миссии по образовательному запуску наноспутников (ELaNa) включали: BisonSat - первый CubeSat, построенный племенным колледжем, TJ3Sat - первый CubeSat, построенный средней школой, и STMSat-1 - первый CubeSat, построенный начальной школой. НАСА публикует Объявление о возможностях [100] в августе каждого года, а выбор делается в феврале следующего года. [101]
В 2015 году НАСА инициировало Cube Quest Challenge — соревнование, направленное на содействие инновациям в использовании CubeSats за пределами низкой околоземной орбиты. Cube Quest Challenge предложил 5 миллионов долларов командам, которые выполнили поставленные задачи по проектированию, созданию и доставке пригодных для полетов небольших спутников, способных выполнять сложные операции вблизи Луны и за ее пределами. Команды соревновались за разнообразные призы на лунной орбите или в глубоком космосе. [102] 10 спутников CubeSat от разных команд были запущены в окололунное пространство в качестве дополнительной полезной нагрузки на борту « Артемиды-1» в 2022 году.
«Управляй своим спутником!» — это текущая программа CubeSats Управления образования Европейского космического агентства . Студенты университета имеют возможность разработать и реализовать свою миссию CubeSat при поддержке специалистов ЕКА. [103] Участвующие студенческие команды смогут испытать полный цикл от проектирования, строительства и тестирования до, в конечном итоге, возможности запуска и эксплуатации своих CubeSat. [104] Четвертая версия программы Fly Your Satellite! программа закрыла прием заявок в феврале 2022 года. [105]
Канадское космическое агентство объявило о канадском проекте CubeSat (CCP) в 2017 году, а команды-участницы были выбраны в мае 2018 года. Программа предоставляет финансирование и поддержку одному университету или колледжу в каждой провинции и территории для разработки CubeSat для запуска с космического корабля. МКС. Цель CCP - предоставить студентам непосредственный практический опыт работы в космической отрасли, одновременно готовя их к карьере в космической сфере. [106]
QB50 — это предлагаемая международная сеть из 50 спутников CubeSat для многоточечных измерений на месте в нижних слоях термосферы (90–350 км) и исследований при входе в атмосферу. QB50 является инициативой Института фон Кармана и финансируется Европейской комиссией в рамках 7-й рамочной программы (FP7). Разработаны двухблочные (2U) CubeSats (10×10×20 см), один из которых («функциональный» блок) обеспечивает обычные спутниковые функции, а другой («научный» блок) вмещает набор стандартизированных датчиков. для исследований нижней термосферы и возвращения в атмосферу. Предполагается, что 35 CubeSats будут предоставлены университетами из 22 стран мира, среди них 4 из США, 4 из Китая, 4 из Франции, 3 из Австралии и 3 из Южной Кореи. [107] Предполагается, что десять спутников CubeSat высотой 2U и 3U будут служить для демонстрации на орбите новых космических технологий.
Запрос предложений (RFP) на QB50 CubeSat был опубликован 15 февраля 2012 года. Два спутника-предшественника QB50 были запущены на борту ракеты « Днепр» 19 июня 2014 года. [108] Все 50 CubeSat должны были быть запущены вместе одна ракета- носитель «Циклон-4» в феврале 2016 года, [109] но из-за неготовности ракеты-носителя 18 апреля 2017 года на борту Cygnus CRS OA-7 было запущено 36 спутников, которые впоследствии были развернуты с МКС . [110] [111] Дюжина других CubeSat была обнаружена в ходе миссии PSLV-XL C38 в мае 2017 года. [112] [ нужно обновить ]
В отличие от полноразмерных космических кораблей, CubeSats можно доставлять в качестве груза на Международную космическую станцию и развертывать на ней. Это представляет собой альтернативный метод выхода на орбиту помимо развертывания с помощью ракеты-носителя . NanoRacks и Made in Space разрабатывают способы создания CubeSat на Международной космической станции. [113]
В рамках инициативы НАСА по запуску CubeSat за несколько лет, предшествовавших 2016 году, было запущено более 46 CubeSat в рамках миссий ELaNa, а 57 были запланированы к полетам в течение следующих нескольких лет. [114] Независимо от того, насколько недорогими или универсальными могут быть CubeSats, они должны использоваться в качестве вторичной полезной нагрузки на больших ракетах, запускающих гораздо более крупные космические корабли, по цене от 100 000 долларов США по состоянию на 2015 год. [115] Поскольку CubeSat развертываются с помощью P-POD и аналогичных устройств. системы развертывания, они могут быть интегрированы и запущены практически в любую ракету-носитель. Однако некоторые поставщики услуг по запуску отказываются запускать CubeSats, будь то при всех запусках или только при определенных запусках, двумя примерами по состоянию на 2015 год [обновлять]были ILS и Sea Launch . [116]
SpaceX [117] [118] и Japan Manned Space Systems Corporation (JAMSS) [119] [120] — две недавние компании, которые предлагают услуги коммерческого запуска CubeSat в качестве вторичной полезной нагрузки, но отставание по запускам все еще существует. Кроме того, индийская ISRO с 2009 года занимается коммерческим запуском иностранных спутников CubeSat в качестве вторичной полезной нагрузки. 15 февраля 2017 года ISRO установила мировой рекорд, запустив 103 спутника CubeSat на борту своей ракеты-носителя для полярных спутников для различных иностранных компаний. [121] МСК «Космотрас» и «Еврокот» также предлагают услуги по запуску CubeSat. [122] SpaceX побила рекорд в 2021 году, выпустив на орбиту 143 космических корабля «Транспортер-1» . Rocket Lab специализируется на запуске CubeSat на своем Electron из Новой Зеландии. [123]
5 мая 2015 года НАСА объявило о программе, базирующейся в Космическом центре Кеннеди , по разработке класса ракет, предназначенных для запуска очень маленьких спутников: NASA Venture Class Launch Services (VCLS), [115] [124] [125] , которая предложит масса полезной нагрузки от 30 до 60 кг на каждую пусковую установку. [124] [126] Пять месяцев спустя, в октябре 2015 года, НАСА выделило в общей сложности 17,1 миллиона долларов трем отдельным стартовым компаниям за один полет каждая: 6,9 миллиона долларов Rocket Lab ( ракета Electron ); 5,5 миллионов долларов компании Firefly Space Systems ( ракета Альфа ); и 4,7 миллиона долларов компании Virgin Galactic ( ракета LauncherOne ). [127] Полезная нагрузка для трех рейсов по контракту VCLS еще не определена. [127] Другие небольшие системы запуска спутников находятся в стадии разработки, которые будут нести CubeSats вместе с небольшой полезной нагрузкой, в том числе серия ракет «Нептун» от Interorbital Systems , ракета-носитель Nanosat космического корабля Garvey , [128] и ракета SPARK . В дополнение к обычным ракетам-носителям и вспомогательным средствам, таким как KSF Space, компании Generation Orbit Launch Services и Boeing (в форме своей малой ракеты-носителя ) разрабатывают несколько средств воздушного запуска на орбиту .
Многие аспекты CubeSat, такие как конструкция, двигательная установка, материал, вычислительная техника и телекоммуникации, мощность и дополнительные специальные инструменты или измерительные устройства, создают проблемы для использования технологии CubeSat за пределами орбиты Земли. [129] Эти проблемы все чаще рассматриваются международными организациями в течение последнего десятилетия, например, предложенный в 2012 году НАСА и Лабораторией реактивного движения космический корабль INSPIRE представляет собой первую попытку создания космического корабля, предназначенного для доказательства эксплуатационных возможностей глубоководных космических аппаратов. космические кубсаты. [130] Ожидалось, что дата запуска будет 2014 год, [131] но она еще не наступила, и НАСА указывает эту дату как TBD. [130]
P-POD (орбитальные развертыватели Poly-PicoSatellite) были разработаны совместно с CubeSat, чтобы обеспечить общую платформу для вторичной полезной нагрузки . [25] P-POD устанавливаются на ракету-носитель и выводят CubeSats на орбиту и развертывают их после получения соответствующего сигнала от ракеты-носителя. P-POD Mk III вмещает три спутника CubeSat высотой 1U или другую комбинацию CubeSat высотой 0,5U, 1U, 1,5U, 2U или 3U с максимальным объемом до 3U. [132] Существуют и другие развертыватели CubeSat, причем наиболее популярным методом развертывания CubeSat по состоянию на 2014 год является NanoRacks CubeSat Deployer (NRCSD) на Международной космической станции. [3] Некоторые развертыватели CubeSat создаются компаниями, такими как ISIPOD (Innovative Solutions In Space BV) или SPL (Astro und Feinwerktechnik Adlershof GmbH), а некоторые из них были созданы правительствами или другими некоммерческими организациями, такими как X-POD ( Университет Торонто ), T-POD ( Токийский университет ) или J-SSOD ( JAXA ) на Международной космической станции. [133] В то время как P-POD ограничен запуском CubeSat высотой не более 3U, NRCSD может запускать CubeSat высотой 6U (10 см × 10 см × 68,1 см (3,9 дюйма × 3,9 дюйма × 26,8 дюйма)) CubeSat, а ISIPOD может запускать другая форма CubeSat 6U (10 см × 22,63 см × 34,05 см (3,94 дюйма × 8,91 дюйма × 13,41 дюйма)).
Хотя почти все спутники CubeSat запускаются с ракеты-носителя или Международной космической станции, некоторые из них развертываются с помощью самих основных полезных нагрузок. Например, FATSAT развернул NanoSail-D2 , CubeSat высотой 3U. Это было сделано снова с помощью Cygnus Mass Simulator в качестве основной полезной нагрузки, запущенной в первом полете ракеты Antares , на которой были размещены, а затем развернуты четыре спутника CubeSat. Для приложений CubeSat за пределами орбиты Земли также будет принят метод развертывания спутников с основной полезной нагрузкой. Одиннадцать спутников CubeSat были запущены на корабле «Артемида-1» , разместив их в непосредственной близости от Луны . Марсианский посадочный модуль InSight также отправил спутники CubeSat за пределы околоземной орбиты, чтобы использовать их в качестве спутников ретрансляционной связи . Известные как MarCO A и B, они являются первыми спутниками CubeSat, отправленными за пределы системы Земля-Луна .
Часки I видел уникальный процесс развертывания, когда он был развернут вручную во время выхода в открытый космос на Международной космической станции в 2014 году.
Когда профессора
Джорди Пуиг-Суари
из
Калифорнийского политехнического государственного университета
и
Боб Твиггс
из
Стэнфордского университета
изобрели CubeSat, они даже не предполагали, что крошечные спутники будут приняты на вооружение университетами, компаниями и правительственными учреждениями по всему миру.
Они просто хотели спроектировать космический корабль с возможностями, аналогичными
Спутнику
, который аспирант мог бы спроектировать, построить, испытать и эксплуатировать.
Что касается размера, профессора остановились на десятисантиметровом кубе, поскольку он был достаточно большим, чтобы вместить базовую полезную нагрузку связи,
солнечные панели
и батарею.
AESP-14 использует возможность платного использования Kibo и развернут Японской корпорацией пилотируемых космических систем (JAMSS) по запросу Бразильского космического агентства.
«GitHub» для науки