XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

В последнее время создание наноспутников является массовым явлением: более двадцати стран мира создают свои наноспутники, запускают их для отработки переспективных технологий. На сегодняшний день часть наноспутников запускается для выполнения научно - образовательных проектов, другие с целью реализации технологических экспериментов. Поскольку наноспутники относятся к классу космических аппаратов небольших размеров и ограниченной массы (до 10 кг), то для обеспечения требуемой ориентации часто используются пассивные или комбинированные системы ориентации.

Малогабаритные спутники уже прочно вошли в практику космических экспериментов и исследований. Одно из направлений, где они уверенно демонстрируют свои преимущества, это технологические эксперименты по тестированию миниатюрной элементной базы и отработке новых технологических решений. Другое направление – использование малогабаритных спутников в образовательном процессе. Все это обусловлено относительно невысокой стоимостью миссий и коротким временным циклом цепочки идея – результаты летных испытаний.

Цель исследовательской работы – анализ результаты запуска наноспутника UniSat.

1.Зарождение наноспутников

В 1998 г. эксперты и аналитики Агентства новейших оборонных исследований МО США DARPA (Defence Advanced Research Project Agency) совместно с головным НИИ ВВС США AFOSR (Air Force Office of Scientific Research) пришли к выводу о необходимости создания новых космических средств на основе последних достижений микроэлектроники. Специалисты считают, что в XXI веке многие задачи оборонного характера будут решаться с помощью кластеров микроспутников, каждый из которых будет представлять собой аппарат весом не более 100 кг и энергетикой не менее 1000 Вт. Так была сформирована TechSat21 – программа разработки следующего поколения микроспутников. Сейчас она активно развивается – совсем недавно было объявлено, что выбраны четыре фирмы, которые готовят предложения по созданию TechSat21. Каждая фирма получила по 10 млн $ для их разработки, срок работы – 12 месяцев. После этого этапа будет выбрано два лучших предложения, а для реализации будет профинансирован один проект. Финиш программы – 2006 год. Совместная программа ВВС США и университетской науки по наноспутникам рассматривается как способ поддержки программы TechSat21 в части проектирования, создания и проведения экспериментов с помощью наноспутников. Конечная цель экспериментов – исследовать возможности военного использования наноспутников. Прямая финансовая поддержка исполнителей очень скромная – 1 млн $ на три года. Но все фирмы, сотрудничающие с Минобороны, предоставляют бесплатно консультации, установки для испытаний и спонсорскую помощь в виде комплектующих типа солнечных батарей и других стандартных элементов КА.

1.1.Параметры наноспутников

Существует множество видов спутников, отличающихся друг от друга критериями:

a)            Компания разработчик

b)           Функция спутника

c)            Способ запуска

d)           Элементная база

e)            Источник питания

f)             Вес

g)           Тип связи

h)           Способ корректировки орбиты

1.1.1      Технология CubeSat

Наноспутник (НС) – это космический аппарат, имеющий массу не более 10 кг. Сейчас наиболее популярны НС CubeSat. Термином «CubeSat» обозначаются наноспутники, спроектированные согласно стандарту, созданному под руководством профессора Боба Твиггса (факультет аэронавтики и астронавтики Стэнфордского университета). НС в формате CubeSat могут быть изготовлены и запущены на околоземную орбиту. Низкая стоимость позволяет разрабатывать подобные НС школам и университетам. Наиболее успешно подход используется при создании наноспутников класса CubeSat по технологии Plug&Play, прогнозируется в 2015-2020 гг. создание ежегодно порядка 100-120 спутников.

Подобные спутники имеют размер 100х100х100 мм, то есть имеют форму куба. Стандарт допускает объединение 2 или 3 стандартных кубов в составе одного спутника (обозначаются 2U и 3U (рисунок 1.1) и имеют размер 100х100х200 или 100х100х300 мм соответственно).

Рисунок 1.1. – Спутник на основе технологии CubeSat

Большинство НС формата CubeSat имеют один или два научных прибора. Они могут применяться для различных целей, например, для исследования воздействия радиации на оборудование, изучения влияния гравитации на поведение спутника, тестирование новых приборов в условиях космического пространства, дистанционное зондирование Земли с невысоким разрешением и т.д.

1.1.2      Технология UniSat

UNISAT представляют собой серию небольших (12 кг) спутников для выполнения технологических экспериментов и проверки использования космического оборудования в вакуумном пространстве.

Рисунок 1.3 – Спутника на основе технологии UniSat

Программа UNISAT была первой университетской программы в Италии предназначенные для поощрения использования коммерческих технологий в аэрокосмической области, выступая в орбитальных испытаниях до современных технологий, с коротким временем развитие и значительное снижение затрат.

2.Классификация спутников. Особенности наноспутников

Наряду с классификацией спутников по назначению полезной нагрузки, по цели запуска, по национальной принадлежности, по способу вывода, по времени активного существования и т.д. существует условная классификация спутников по массе, предложенная в 1990 г. известной европейской фирмой Arianespace – разработчиком и производителем ракет-носителей Ariane.

    Преимуществом малых спутников массой более 10 кг является широкий спектр выполняемых функций. Преимуществом спутников менее 10 кг является малые габариты, относительно низкая стоимость, а также возможность группового полёта. Из малых спутников следует выделить наноспутники, которые сочетают в себе относительно большую функциональность и малый размер. Область применения наноспутников широка – от радиосвязи до космических наблюдений: отработка перспективных технологий, мониторинг атмосферы Земли, исследование геофизических полей, астрономические наблюдения, дистанционное зондирование Земли и др.

2.1.          Основные области применение нноспутников.                    

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные — использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах. 

3. Анализ результаты запуска наноспутника UniSat г.Туркестан.

В рамках открытия образовательного ХАБ-а в г.Туркестан было запущено два наноспутника UniSat. Запуск был осуществлен в 50 км от города Туркестан в населенном пункте Тамды-Узик. Как правило, перед запуском нами были получены предварительные траектории полета наноспутника с помощью программы http://nearspace.ru/tech/map/predict.html.

Результаты полета шара зонда на разные высоты показаны ниже на рисунках 1, 2, 3.

Предварительные расчеты нужны для того, чтобы заранее знать место падения или же приземления спутника. Траекторию полёта стратосферного зонда можно спрогнозировать, используя NOAA GFS модель (Система глобального прогноза национального центра климатических данных). Расчёт траектории и места посадки стратосферного зонда. Используем «Set With Map» и курсором мыши укажем место запуска. Выставим дату запуска, время, значения расчётной скорости подъёма, спуска, высоты разрыва оболочки и нажмем «Run Prediction». На карте появляется траектория полёта с указанием места разрыва оболочки и ориентировочным местом приземления. Но необходимо понимать, что, как и любой прогноз, он может сильно отличаться

от реального полёта. Максимально система позволяет предсказать траекторию на неделю вперёд, но чем ближе расчётная дата тем точнее прогноз. После проведения прогнозных расчетов можно будет запускать спутники. Ниже на рисунке 4 показан процесс запуска первого наноспутника девушками.

Как и предыдущие наноспутники, наноспутники запущенные в г.Туркестан на своем борту имели ряд датчиков. На этом проекте будут представлены результаты обработки данных первого наноспутника, который приземлился в 110 км от места запуска (рисунок 5). Место приземления показано ниже на рисунке. Первый спутник был найден спустя несколько дней после запуска по сигналу GPS. Тогда как второй спутник был найдет в тот же день, спустя несколько часов после запуска. Именно данные второго спутника были обработаны участницами проекта.

Выше на рисунках показаны результаты обработки данных датчиков загрязнения воздуха. Как видно из рисунков, в некоторых высотах, например, ниже 1000 м, в районе 3500 м и в районе 7500 м показания датчика PM10 превышает суточную норму (суточная норма - 50), а показания датчика PM2.5 только в одном месте, в районе 3500 м в два раза превышает норму (суточная норма - 20), в целом по показаниям можно сделать вывод, что загрязненность воздуха в г.Туркестан находится в нормальном состоянии.

Выше на графике показаны результаты датчиков ускорения. Здесь мы можем видеть с какой скоростью поднимался наноспутник в зависимости от высоты. Как видно из рисунка, по мерее увеличения высоты скорость спутника также увеличивается. Это объясняется тем, что по мерее увеличения высоты воздух становится более разреженные.

Еще одним важным результатом является исследования емкости батарей от высоты. По мерее повышения высоты температура понижается, это в свою очередь влияет на химические реакции, происходящие внутри аккумуляторных батарей. Как видно из рисунка, начиная с 3000 м емкость аккумуляторных батарей начинает стремительно падать и доходит до минимального значения равного 3,55 В на высоте 9000 м.

4.Заключение

Наноспутники активно используются для научных исследований и дистанционного мониторинга, зонндирования Земли, отработки новейших технологий, образования, калибровки наземных и космических систем.

Мы считаем что это очень хорошая возможность для школьников открыть новые способы изучения нашей планеты и являющейся прекрасной "прилюдией" для дальнейшего изучения космического пространства. Мы бы хотели попробовать изучить состояние атмосферного покрытия на территории Казахстана. Ведь в последнее время наблюдаются глобальные изменения в состоянии планеты в целом. Опираюсь на полученные данные можно будет начать работу над проектами по улучшению качества "осведомленности" населения с масштабами этих проблем.

5. Литература

1.          Тьюториал по аналитике данных от наноспутников UniSat. 2022.

2.          Python for Data Analysis1 (http://bit.ly/python-for-data- analysis).

3.          Learning IPython for Interactive Computing and Data Visualization (http://bit.ly/2eLCBB7 )

4.          Python Interactive Computing and Visualization Cookbook (http://bit.ly/2fCEtNE).

5.          http://nearspace.ru/tech/map/predict.html

6.                 Приложения

Рисунок 1

Запуск шара на высоту 5000 м

Рисунок 2

Запуск шара на высоту 7000 м

Рисунок 3

Запуск шара на высоту 9000 м

Рисунок 4

Рисунок 5