Полезная нагрузка спутников формата CubeSat

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Полезная нагрузка спутников формата CubeSat

Русланкызы Жания Русланкызы 1
1Дворец школьников г.Туркестан
Актаев Е.К. 1Сайфуллин Д.А. 1
1Дворец школьников г. Туркестан
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Сегодня мы обсудим полезную нагрузку спутников формата CubeSat. Напомню, что в космической индустрии спутники различают по массе: от 1 до 10 кг – наноспутники, от 10 до 100 кг – микроспутники, от 100 до 500 кг – миниспутники, свыше 1000 кг – большие промышленные спутники. На сегодняшний день очень популярными являются разработка и запуск именно наноспутников.

Формат используется для образовательных, технологических, научных и коммерческих миссий. Часто один аппарат выполняет несколько задач.

Образовательные миссии основной целью ставят обучение космических инженеров. Упор делается на работоспособность конструкции спутников, соответствие многочисленным требованиям при запуске и работе в околоземном пространстве, совместимость с другими аппаратами и наземным оборудованием. Первоначально большинство таких спутников делались студентами и преподавателями университетов. Как следствие их полезная нагрузка - это чаще всего проведение какого-либо эксперимента научной части того же университета. В случае запуска спутников в рамках конкурсов и аналогичных мероприятий полезную нагрузку могут обеспечить спонсоры - предприятия космической отрасли. Во время таких запусков решаются технологические задачи по испытанию работы в космосе определенного оборудования. В последнее время появилась возможность использования CubeSat-ов и в коммерческих миссиях, поскольку появился спрос на данные, которые могут быть получены с их помощью.

Для чего вообще нужны наноспутники? Какие функции они выполняют?

Первое – у наноспутников небольшие размеры, и это самое главное. Во-вторых, они дешевые при разработке – для создания наноспутника на сегодняшний день требуется примерно 100 000 долларов, тогда как для создания больших спутников разработчики выделяют миллионы долларов. В-третьих, время создания наноспутников занимает два-три года максимум. Для сравнения, большие спутники разрабатываются несколько лет, до 10 лет. За это время устаревают технологии. В-четвертых, при создании наноспутников мы можем широко привлекать школьников. Это очень здорово, потому что таким образом мы готовим кадры. По сути, разработка наноспутника ничем не отличается от разработки больших космических аппаратов – также нужно спроектировать, разработать, собрать, протестировать, испытать, запустить. Наноспутники можно сделать небольшими коллективами – собраться по 5-6 человек, как мы, и собрать в лаборатории. А большие спутники так просто не сделать, нужно создавать большие промышленные зоны.

Прежде чем подробнее рассмотреть все эти виды миссий и примеры реализации, остановимся на требованиях к полезной нагрузке.

В качестве полезной нагрузки кубсата может выступать фотокамера, различные датчики для измерения, например, магнитного поля Земли. Часто наноспутники используют для испытания новых технологических решений в условиях реального космоса, чтобы потом применять их в более крупных космических аппаратах.

Система энергоснабжения

Система энергетического обеспечения наноспутника (система энергоснабжения) – система КА, которая предоставляет электроснабжение другие системам наноспутника. Она является одной из физических систем, во многом именно она определяет геометрию космических аппаратов, потребление, массу, действие операции. Выход из строя системы энергопитания ведёт к потере рабочего состояния всего аппарата. В состав системы энергопитания обычно входят: первичный и вторичный источник энергии, преобразующие, зарядные устройства и автоматика управления. Наноспутник, рассчитанные на краткосрочный полет, используют только аккумуляторные батареи.

Плата аккумуляторного блока AlfaSat выполняет функцию по обеспечение и хранение запаса электроэнергии с применением базовых средств защиты электрической цепи, а также климатической защиты от минусовых температур.

Основные характеристики:

Характеристика

Размеры

93,3 mm x 89mm x 10 mm

Тип аккумулятор

Li-lon

Напряжение аккумулятора

2S (5.0 B- 8.5 B

Емкость

10.4 A/ч (38.48 Вт/ч)

Предел защиты по току

5.0 B

Переделы защиты по напряжению

5.0 B, 8.5 B

Число каналов нагревателей аккумуляторов

2

Сопротивление нагревателя

2 Ом

Состав телеметрии

Напряжение, температура

Ниже в таблице указаны потребляемые мощности отдельных подсистем КА

AlfaSat.

Бортовой компьютер

Наноспутник AlfaSat состоят из следующих основных подсистем. Бортовой компьютер является центральным исполнением - «сердцем» спутника. Его характеристики диктуют использование большого количества ресурсов, а также необходимость развития уровня электронной элементной базы. Условия космического пространства предъявляют жесткие требования к выбору элементов бортового компьютера. Они должны быть устойчивыми к космической радиации, иметь достаточно низкое энергопотребление. Для спутников типа «CubeSat» используются промышленные электронные компоненты, более дешевые и менее устойчивые к воздействию радиации, чем «космические» компоненты, применяемые в спутниках.

Система связи и аппаратура наземной станции слежения

Бортовая система «AlfaSat» обеспечивает передачу сигналов радиомаяка, прием команды управления, передачу телеметрической информации и данных, от полезной нагрузки. Сигнала радиомаяка обнаруживается кодом Морзе. Для передачи телеметрии и команды, как правило, используется частоты радиолюбительской службы, то есть для передачи данных со спутника на частотах 430 МГц. Формат принимаемых со спутника данных обычно открыт для широкой публики, что позволяет играть слежение за спутниковым радиолюбителем по всему миру.

В ряде устроиств применяют как запасной канал связи структура системы коммуникации GSM/GPS решающие задачи в сотовой сети, и задачу навигации. Дает доступ к данным: местоположения, высоты аппарата, направление движение и скорость.

Сенсорная плата.

С енсорная плата-это та часть, которая отвечает за чтением и запись (или реагирование) данных датчиков. На плате имеется несколько важных датчиков с различными функциями, таких как датчик ориентаци, метродатчик, оптический датчик, счетчик Гейгера и т.д..

Расчет бюджета мощности

При проектировании любых электрических цепей выполняется расчет мощности. На его основе производится выбор основных элементов и вычисляется допустима нагрузка.

Чтобы вычислить мощность, не обладая полными данными о потребляемом токе и напряжении, можно воспользоваться средними характеристиками. Для этого требуется выполнить следующий алгоритм действии:

  • Рассчитываем энергопотребления каждого узла, датчиков, преобразователей и для них составляем таблицу;

  • Необходимо учитывать изменение мощностей всех подсистем пусковых, коммутационных, разных переходных процессов;

  • Необходимо внести в отдельные графы: мощность прибора, часы работы;

  • Для каждой подсистемы необходимо рассчитать потребление энергии (путем умножения мощности на время работы) среднечасовые потребление;

  • Просуммировать все полученные величины мощности

Как правило, продолжительность такого полета оценивается примерно 3-3,5 часа. Оценивая энергопотребления каждой подсистемы по обеспечению бесперебойной работы, нам нужно считать энергопотребление с запасом, хотя бы двукратным запасом, что составляет примерно 6 часов. Так как, после приземления КА должен функционировать до тех пор, пока участницы не найдут спутника. Исходя из вышеуказанного рассчитывается суммарный запас или же энергобюджет КА, которая составляет 44.88 Вт/ч

Р=7.48х6=44.88 Вт/ч

Учитывая что нагрузка при выполнении мисси не равномерная, бюджет по мощности достаточная.

Все вышеперечисленные требования распространяются не только на конструкцию спутника, но и на полезную нагрузку. Формат кубсат разработан для учебных целей. Большинство спутников осуществляют образовательную, научную и технологическую миссии. Образовательная реализуется через состав команды конструкторов, где вместе работают профессионалы и студенты, иногда и школьники.

Конструктор AlfaSat

Ученые КазНУ имени аль-Фараби специально разработали конструкторы для школьников. Они называются AlfaSat и сделаны по стандарту CubeSat – 10х10х10 см. В этом конструкторе есть все необходимые служебные подсистемы для того, чтобы собрать наноспутник самостоятельно. При этом, школьники или студенты работают в команде – кто-то отвечает за программирование, кто-то – за сборку, кто-то за тестирование, кто-то – за запуск. Тем самым развиваются не только hard skills, но и soft skills – работа в команде, тайм-менеджмент.

Наноспутник AlfaSat, школьники могут запустить его в стратосферу, на высоту 25-30 км. Это можно сделать с помощью гелиевого шара – спутник весом 1 кг закрепляется к шару, шар надувается гелием и поднимает его на высоту. Лопнет он как раз таки на высоте 25-30 км. Это достаточно высоко – для сравнения, самолеты летают на высоте всего 10 км. По мере того, как шар будет подниматься, спутник будет посылать на землю сигнал, а студенты и школьники смогут сами его поймать с помощью наземной станции и проводить свои исследования. К примеру, можно подключить датчик качества воздуха, тем самым они смогут измерять качество воздуха над города.

После того, как шар лопнет, спутник начнет стремительно падать. На высоте примерно 4-5 км раскроется парашют (он закреплен сверху), и наноспутник медленно продолжит спускаться на землю. Как только он спустился, он начинает подавать свой сигнал бедствия, где он находится. Школьник на своем телефоне видит местонахождение спутника, поэтому сможет подъехать к нему и забрать для следующего раза.

Заключение.

Основным объектом наблюдения научных миссий является изучение окружающего пространства. Это температура, плотность и состав окружающего вещества, электрические и магнитные поля, гравитация, излучение в различных диапазонах, радиация, солнечный и космический ветер. Абсолютные параметры и влияние на функционирование систем связи, энергообеспечения, ориентации, маневрирования и других систем спутника.

Программа UniSat - на самом деле, огромный шанс для девушек, чтобы реализовывать свои мечты. Мы можем делать то, что делают и другие. Все возможно, если пытаться.

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

Просмотров работы: 23