CUBESATS คืออะไร

Send

หนึ่งในลักษณะที่กำหนดของยุคสมัยของการสำรวจอวกาศคือธรรมชาติที่เปิดกว้างของมัน ในอดีตพื้นที่เป็นชายแดนที่สามารถเข้าถึงหน่วยงานอวกาศแห่งชาติเพียงสองแห่งคือองค์การนาซ่าและโครงการอวกาศของสหภาพโซเวียต แต่ด้วยการเกิดขึ้นของเทคโนโลยีใหม่ ๆ และมาตรการลดต้นทุนทำให้ภาคเอกชนสามารถให้บริการเปิดตัวของตนเองได้แล้ว

นอกจากนี้สถาบันการศึกษาและประเทศเล็ก ๆ สามารถสร้างดาวเทียมของตัวเองเพื่อวัตถุประสงค์ในการดำเนินการวิจัยในชั้นบรรยากาศสำรวจโลกและทดสอบเทคโนโลยีอวกาศใหม่ มันคือสิ่งที่รู้จักกันในชื่อว่า CubeSat ดาวเทียมขนาดจิ๋วที่ช่วยให้สามารถทำการวิจัยอวกาศได้อย่างคุ้มค่า

โครงสร้างและการออกแบบ:

หรือที่รู้จักกันในชื่อ nanosatellites CubeSats ถูกสร้างขึ้นให้มีขนาดมาตรฐาน 10 x 10 x 11 ซม. (1 U) และมีรูปร่างเหมือนลูกบาศก์ (ชื่อนี้) พวกมันสามารถปรับขนาดได้มาในรุ่นที่วัด 1U, 2Us, 3Us หรือ 6Us ที่ด้านข้างและโดยทั่วไปจะมีน้ำหนักน้อยกว่า 1.33 กิโลกรัม (3 ปอนด์) ต่อ U CubSats 3Us หรือมากกว่านั้นมีขนาดใหญ่ที่สุดประกอบด้วยสามหน่วยซ้อนกัน ตามยาวด้วยกระบอกห่อหุ้มพวกเขาทั้งหมด

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการเสนอแพลตฟอร์ม CubeSat ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นซึ่งรวมถึงโมเดล 12U (20 x 20 x 30 ซม. หรือ 24 x 24 x 36 ซม.) ที่จะขยายขีดความสามารถของ CubeSats นอกเหนือจากการวิจัยเชิงวิชาการและทดสอบเทคโนโลยีใหม่ และเป้าหมายการป้องกันประเทศ

เหตุผลหลักในการลดขนาดดาวเทียมคือลดค่าใช้จ่ายในการติดตั้งและเนื่องจากสามารถติดตั้งในพื้นที่ที่มีความจุมากเกินไป สิ่งนี้จะช่วยลดความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับภารกิจที่ต้องมีการขนส่งสินค้าเพิ่มเติมให้กับผู้ปล่อยและยังอนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงการขนส่งสินค้าโดยแจ้งให้ทราบล่วงหน้า

พวกเขายังสามารถทำได้โดยใช้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์ (COTS) ซึ่งทำให้ง่ายต่อการสร้าง เนื่องจากภารกิจของ CubeSats นั้นถูกสร้างขึ้นเพื่อวงโคจรต่ำของโลก (Low Earth Orbits, LEO) และสัมผัสกับบรรยากาศย้อนกลับไปหลังจากผ่านไปไม่กี่วันหรือหลายสัปดาห์การแผ่รังสีจึงอาจถูกมองข้าม

CubeSats ถูกสร้างขึ้นจากอลูมิเนียมอัลลอยด์สี่ประเภทเพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขามีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเหมือนกับรถเปิดตัว ดาวเทียมยังถูกเคลือบด้วยชั้นป้องกันออกไซด์ตามพื้นผิวใด ๆ ที่สัมผัสกับรถส่งเพื่อป้องกันไม่ให้พวกมันถูกเชื่อมด้วยความเย็นโดยความเครียด

ส่วนประกอบ:

CubeSats มักจะมีคอมพิวเตอร์ออนบอร์ดหลายเครื่องเพื่อประโยชน์ในการทำวิจัยรวมถึงการควบคุมทัศนคติการขับดันและการสื่อสาร โดยทั่วไปแล้วคอมพิวเตอร์ออนบอร์ดอื่น ๆ รวมอยู่ด้วยเพื่อให้แน่ใจว่าคอมพิวเตอร์หลักไม่ได้รับภาระมากเกินไปจากกระแสข้อมูลจำนวนมาก แต่คอมพิวเตอร์ออนบอร์ดอื่น ๆ ทั้งหมดจะต้องสามารถเชื่อมต่อกับมันได้

โดยทั่วไปคอมพิวเตอร์หลักมีหน้าที่รับผิดชอบในการมอบหมายงานให้กับคอมพิวเตอร์เครื่องอื่นเช่นการควบคุมทัศนคติการคำนวณสำหรับการซ้อมรบวงโคจรและการจัดตารางงาน อย่างไรก็ตามคอมพิวเตอร์หลักอาจใช้สำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับน้ำหนักบรรทุกเช่นการประมวลผลภาพการวิเคราะห์ข้อมูลและการบีบอัดข้อมูล

ส่วนประกอบขนาดเล็กให้การควบคุมทัศนคติโดยทั่วไปประกอบด้วยล้อทำปฏิกิริยา, magnetorquers, ขับดัน, ติดตามดาว, เซ็นเซอร์ดวงอาทิตย์และโลกเซ็นเซอร์อัตราเชิงมุมและตัวรับสัญญาณ GPS และเสาอากาศ ระบบเหล่านี้จำนวนมากมักใช้ร่วมกันเพื่อชดเชยข้อบกพร่องและเพื่อให้มีระดับความซ้ำซ้อน

เซ็นเซอร์ดวงอาทิตย์และดวงดาวใช้เพื่อชี้ทิศทางในขณะที่การตรวจจับโลกและขอบฟ้าของมันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการดำเนินการศึกษาโลกและชั้นบรรยากาศ เซ็นเซอร์ดวงอาทิตย์ยังมีประโยชน์ในการทำให้มั่นใจว่า CubsSat สามารถเพิ่มการเข้าถึงพลังงานแสงอาทิตย์ได้สูงสุดซึ่งเป็นวิธีหลักในการเปิดใช้งาน CubeSat - ซึ่งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ถูกรวมเข้ากับปลอกนอกของดาวเทียม

ในขณะเดียวกันแรงขับสามารถมาในหลายรูปแบบซึ่งทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับเครื่องขับดันขนาดจิ๋วที่ให้แรงกระตุ้นเฉพาะจำนวนเล็กน้อย ดาวเทียมก็ขึ้นอยู่กับการแผ่รังสีความร้อนจากดวงอาทิตย์โลกและแสงอาทิตย์ที่สะท้อนกลับไม่ต้องพูดถึงความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบของมัน

ดังนั้น CubeSat จึงมาพร้อมกับชั้นฉนวนและเครื่องทำความร้อนเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบของพวกเขาจะไม่เกินช่วงอุณหภูมิของพวกเขาและความร้อนส่วนเกินที่สามารถกระจาย เซ็นเซอร์อุณหภูมิมักจะถูกรวมไว้เพื่อตรวจสอบการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิที่เป็นอันตราย

สำหรับการสื่อสาร CubeSat สามารถพึ่งพาเสาอากาศที่ทำงานใน VHF, UHF หรือ L-, S-, C- และ X-แบนด์ สิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่ถูก จำกัด ไว้ที่ 2W ของพลังงานเนื่องจากขนาดเล็กและความจุที่ จำกัด ของ CubeSat พวกมันสามารถเป็นขดลวด, ขั้วคู่หรือเสาอากาศโมโนโพลโมโนโพลแม้ว่าจะมีการพัฒนาแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้น

แรงขับ:

CubeSats พึ่งพาวิธีการขับเคลื่อนที่แตกต่างกันซึ่งนำไปสู่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีมากมาย วิธีที่พบมากที่สุด ได้แก่ ก๊าซเย็นสารเคมีการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและใบเรือสุริยะ ถังก๊าซเย็นอาศัยก๊าซเฉื่อย (เช่นไนโตรเจน) ซึ่งถูกเก็บไว้ในถังและปล่อยผ่านหัวฉีดเพื่อสร้างแรงขับ

เป็นวิธีการขับเคลื่อนไปมันเป็นระบบที่ง่ายและมีประโยชน์ที่สุดที่ CubeSat สามารถใช้ นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในสิ่งที่ปลอดภัยที่สุดเช่นกันเนื่องจากก๊าซเย็นส่วนใหญ่ไม่ระเหยหรือกัดกร่อน อย่างไรก็ตามพวกเขามีประสิทธิภาพที่ จำกัด และไม่สามารถบรรลุเป้าหมายได้ ดังนั้นทำไมพวกเขามักจะใช้ในระบบควบคุมทัศนคติและไม่ได้เป็นเครื่องขับดันหลัก

ระบบขับเคลื่อนทางเคมีอาศัยปฏิกิริยาทางเคมีในการผลิตก๊าซความดันสูงและอุณหภูมิสูงซึ่งจะถูกส่งผ่านหัวฉีดเพื่อสร้างแรงขับ พวกเขาสามารถเป็นของเหลวของแข็งหรือไฮบริดและมักจะลงไปที่การรวมกันของสารเคมีรวมกับตัวเร่งปฏิกิริยาหรือออกซิไดเซอร์ เครื่องขับดันเหล่านี้เรียบง่าย (และสามารถย่อขนาดได้อย่างง่ายดาย), มีความต้องการพลังงานต่ำและมีความน่าเชื่อถือมาก

แรงขับไฟฟ้าอาศัยพลังงานไฟฟ้าเพื่อเร่งอนุภาคที่มีประจุเป็นความเร็วสูง - หรือที่รู้จัก Hall-effect thrusters, ion thrusters, pulsed plasma thrusters เป็นต้นวิธีนี้มีประโยชน์เนื่องจากเป็นการรวมแรงกระตุ้นเฉพาะสูงเข้ากับประสิทธิภาพสูงและส่วนประกอบสามารถย่อขนาดได้อย่างง่ายดาย ข้อเสียคือพวกเขาต้องการพลังงานเพิ่มเติมซึ่งหมายถึงเซลล์สุริยะขนาดใหญ่ขึ้นแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ขึ้นและระบบพลังงานที่ซับซ้อนมากขึ้น

โซล่าเซลส์ยังใช้เป็นวิธีการขับเคลื่อนซึ่งเป็นประโยชน์เพราะมันไม่จำเป็นต้องขับเคลื่อน การแล่นเรือพลังงานแสงอาทิตย์สามารถปรับขนาดให้เหมาะสมกับขนาดของ CubSat และมวลขนาดเล็กของดาวเทียมส่งผลให้เกิดการเร่งความเร็วที่มากขึ้นสำหรับพื้นที่ของเรือพลังงานแสงอาทิตย์

อย่างไรก็ตามใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ยังคงต้องมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับดาวเทียมซึ่งทำให้ความซับซ้อนทางกลเป็นแหล่งที่มาของความล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้น ในเวลานี้ CubeSats เพียงไม่กี่คนได้ใช้ใบเรือพลังงานแสงอาทิตย์ แต่ยังคงเป็นพื้นที่ของการพัฒนาที่มีศักยภาพเนื่องจากเป็นวิธีการเดียวที่ไม่จำเป็นต้องใช้จรวดหรือเกี่ยวข้องกับวัสดุที่เป็นอันตราย

เนื่องจาก thrusters มีขนาดเล็กลงจึงสร้างความท้าทายและข้อ จำกัด ทางเทคนิคหลายประการ ตัวอย่างเช่นการแทงด้วยเวกเตอร์ (เช่น gimbals) เป็นไปไม่ได้เมื่อใช้ thrusters ที่เล็กลง ดังนั้นการทำเวคเตอร์จะต้องทำได้โดยใช้หัวฉีดหลายอันในการแทงแบบอสมมาตรหรือการใช้ส่วนประกอบที่ถูกกระตุ้นเพื่อเปลี่ยนจุดศูนย์กลางของมวลสัมพันธ์กับเรขาคณิตของ CubeSat

ประวัติความเป็นมา:

เริ่มต้นในปี 1999 มหาวิทยาลัยแห่งรัฐแคลิฟอร์เนียโพลีเทคนิคและมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดพัฒนาข้อกำหนด CubeSat เพื่อช่วยให้มหาวิทยาลัยทั่วโลกดำเนินการด้านวิทยาศาสตร์อวกาศและการสำรวจ คำว่า“ CubeSat” ประกาศเกียรติคุณเพื่อแสดงถึงดาวเทียมนาโนที่เป็นไปตามมาตรฐานที่อธิบายไว้ในข้อกำหนดการออกแบบ CubeSat

ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศ Jordi Puig-Suari และ Bob Twiggs จากภาควิชาวิชาการบินและอวกาศที่มหาวิทยาลัย Stanford นับตั้งแต่ก่อตั้งขึ้นจนกลายเป็นหุ้นส่วนระหว่างประเทศของสถาบันกว่า 40 แห่งที่กำลังพัฒนาดาวเทียมนาโนที่มีน้ำหนักบรรทุกทางวิทยาศาสตร์

ในขั้นต้นแม้จะมีขนาดเล็ก แต่สถาบันการศึกษาก็ถูก จำกัด เพราะพวกเขาถูกบังคับให้ต้องรอเป็นเวลาหลายปีเพื่อเปิดตัว สิ่งนี้ได้รับการแก้ไขในระดับหนึ่งโดยการพัฒนาของ Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (หรือที่รู้จักกันในชื่อ P-POD) โดย California Polytechnic P-POD ติดตั้งอยู่กับยานส่งและนำ CubeSats ขึ้นสู่วงโคจรและปรับใช้เมื่อได้รับสัญญาณที่เหมาะสมจากยานส่ง

ตามวัตถุประสงค์ของ JordiPuig-Suari นั้นคือ“ เพื่อลดเวลาในการพัฒนาดาวเทียมให้เป็นกรอบเวลาสำหรับอาชีพของนักศึกษาวิทยาลัยและใช้ประโยชน์จากโอกาสในการเปิดตัวด้วยดาวเทียมจำนวนมาก” ในระยะสั้น P-PODs ทำให้มั่นใจได้ว่า CubeSats จำนวนมากสามารถเปิดตัวได้ตลอดเวลา

หลาย บริษัท ได้สร้าง CubeSats รวมถึงโบอิ้งผู้ผลิตดาวเทียมขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตามการพัฒนาส่วนใหญ่มาจากสถาบันการศึกษาที่มีบันทึกการผสมของ CubeSats ที่ประสบความสำเร็จในการโคจรและภารกิจล้มเหลว นับตั้งแต่ก่อตั้ง CubeSats นั้นถูกใช้สำหรับแอปพลิเคชั่นนับไม่ถ้วน

ตัวอย่างเช่นพวกมันถูกใช้เพื่อปรับใช้ Automatic Identification Systems (AIS) เพื่อตรวจสอบเรือเดินทะเลติดตั้งเซ็นเซอร์ระยะไกลของโลกเพื่อทดสอบความมีชีวิตในระยะยาวของผู้ตรวจสอบพื้นที่รวมถึงทำการทดลองทางชีววิทยาและรังสี

ภายในชุมชนทางวิชาการและวิทยาศาสตร์ผลลัพธ์เหล่านี้จะถูกแบ่งปันและมีการจัดหาทรัพยากรโดยการสื่อสารโดยตรงกับนักพัฒนารายอื่นและเข้าร่วมการประชุมเชิงปฏิบัติการ CubeSat นอกจากนี้โปรแกรม CubeSat ยังเป็นประโยชน์ต่อ บริษัท เอกชนและรัฐบาลด้วยการจัดหาวิธีการลดภาระการบินในอวกาศ

ในปี 2010 องค์การนาซ่าได้สร้าง“ CubeSat Launch Initiative” ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อให้บริการเปิดตัวสำหรับสถาบันการศึกษาและองค์กรที่ไม่แสวงหาผลกำไรเพื่อให้พวกเขาสามารถนำ CubeSats ออกสู่อวกาศได้ ในปี 2558 องค์การนาซ่าริเริ่ม Cube Quest Challenge ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Centennial Challenges

ด้วยเงินรางวัล 5 ล้านดอลลาร์การแข่งขันเพื่อสร้างแรงจูงใจนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อส่งเสริมการสร้างดาวเทียมขนาดเล็กที่สามารถปฏิบัติการได้ไกลกว่าวงโคจรโลกต่ำโดยเฉพาะในวงโคจรของดวงจันทร์หรืออวกาศ ในตอนท้ายของการแข่งขันจะมีการเลือกทีมมากถึงสามทีมเพื่อเปิดตัวการออกแบบ CubeSat บนภารกิจ SLS-EM1 ในปี 2018

ภารกิจ InSight lander ของนาซ่า (มีกำหนดจะเปิดตัวในปี 2561) จะรวมสอง CubeSats สิ่งเหล่านี้จะทำการบินผ่านของดาวอังคารและให้การสื่อสารเพิ่มเติมกับโลกในระหว่างการเข้าและลงจอด

กำหนด Mars Cube One (MarCO) CubeSat ขนาด 6U ที่มีการทดลองนี้จะเป็นภารกิจในห้วงอวกาศแห่งแรกที่ใช้เทคโนโลยี CubeSat มันจะใช้เสาอากาศ X-band แบบแบนแบนที่ให้อัตราสูงเพื่อส่งข้อมูลไปยังยานสำรวจ Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) ของนาซ่าซึ่งจะส่งผ่านไปยังโลก

การทำให้ระบบอวกาศมีขนาดเล็กลงและราคาไม่แพงมากขึ้นเป็นหนึ่งในเครื่องหมายรับประกันคุณภาพของการสำรวจอวกาศที่ได้รับการต่ออายุ นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่อุตสาหกรรม NewSpace เติบโตอย่างก้าวกระโดดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา และด้วยการมีส่วนร่วมในระดับที่สูงขึ้นเราจะเห็นผลตอบแทนที่มากขึ้นเมื่อพูดถึงการวิจัยการพัฒนาและการสำรวจ

เราได้เขียนบทความมากมายเกี่ยวกับ CubeSat สำหรับนิตยสารอวกาศ นี่คือสังคมของดาวเคราะห์ที่จะเปิดตัว Sails Solar ที่แยกจากกันสามตัวคือ CubeSats Interplanetary แรกที่จะเปิดตัวใน InSight Mars Lander 2016 ของนาซ่าทำให้ CubeSats ทำงานทางดาราศาสตร์คุณสามารถทำอะไรกับ Cubesat ได้ Cubesats เหล่านี้สามารถใช้พลาสมา

หากคุณต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ CubeSat ให้ตรวจสอบหน้าแรกอย่างเป็นทางการของ CubeSat

เราได้บันทึกเรื่องราวของนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับกระสวยอวกาศ ฟังที่นี่ตอนที่ 127: กระสวยอวกาศของสหรัฐอเมริกา

แหล่งที่มา: