WAS SIND CUBESATS?

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Eines der bestimmenden Merkmale der modernen Ära der Weltraumforschung ist ihre Offenheit. In der Vergangenheit war der Weltraum eine Grenze, die nur zwei föderalen Weltraumagenturen zugänglich war - der NASA und dem sowjetischen Weltraumprogramm. Dank des Aufkommens neuer Technologien und Kostensenkungsmaßnahmen ist der Privatsektor nun in der Lage, eigene Startdienste bereitzustellen.

Darüber hinaus können akademische Einrichtungen und kleine Länder jetzt ihre eigenen Satelliten bauen, um atmosphärische Forschung zu betreiben, die Erde zu beobachten und neue Weltraumtechnologien zu testen. Es ist der sogenannte CubeSat, ein miniaturisierter Satellit, der eine kostengünstige Weltraumforschung ermöglicht.

Struktur und Design:

CubeSats, auch als Nanosatelliten bekannt, haben Standardabmessungen von 10 x 10 x 11 cm (1 U) und sind wie Würfel geformt (daher der Name). Sie sind skalierbar und in Versionen erhältlich, die 1U, 2U, 3U oder 6U auf einer Seite messen und in der Regel weniger als 1,33 kg pro U wiegen. CubSats mit 3U oder mehr sind die größten und bestehen aus drei gestapelten Einheiten in Längsrichtung mit einem Zylinder, der sie alle umgibt.

In den letzten Jahren wurden größere CubeSat-Plattformen vorgeschlagen, darunter ein 12U-Modell (20 x 20 x 30 cm oder 24 x 24 x 36 cm), das die Fähigkeiten von CubeSats über die akademische Forschung und das Testen neuer Technologien hinaus erweitern und komplexere wissenschaftliche Erkenntnisse einbeziehen würde und nationale Verteidigungsziele.

Der Hauptgrund für die Miniaturisierung von Satelliten besteht darin, die Bereitstellungskosten zu senken und sie in der Überkapazität eines Trägerraketen einzusetzen. Dies reduziert die Risiken, die mit Missionen verbunden sind, bei denen zusätzliche Fracht zum Trägerraketen huckepack genommen werden muss, und ermöglicht auch kurzfristige Frachtwechsel.

Sie können auch mit handelsüblichen Elektronikkomponenten (COTS) hergestellt werden, wodurch sie vergleichsweise einfach herzustellen sind. Da CubeSats-Missionen häufig zu sehr erdnahen Umlaufbahnen (LEO) durchgeführt werden und bereits nach Tagen oder Wochen einen atmosphärischen Wiedereintritt erfahren, kann die Strahlung weitgehend ignoriert und Standardelektronik für Endverbraucher verwendet werden.

CubeSats bestehen aus vier speziellen Arten von Aluminiumlegierungen, um sicherzustellen, dass sie den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Trägerrakete haben. Die Satelliten sind außerdem entlang jeder Oberfläche, die mit der Trägerrakete in Kontakt kommt, mit einer Oxidschutzschicht beschichtet, um zu verhindern, dass sie durch extreme Beanspruchung kalt angeschweißt werden.

Komponenten:

CubeSats verfügen häufig über mehrere Bordcomputer, um Nachforschungen anzustellen und die Lageregelung, Triebwerke und Kommunikation zu gewährleisten. In der Regel sind andere Bordcomputer enthalten, um sicherzustellen, dass der Hauptcomputer nicht durch mehrere Datenströme überlastet wird. Alle anderen Bordcomputer müssen jedoch in der Lage sein, eine Schnittstelle zu ihm herzustellen.

In der Regel ist ein Primärcomputer für die Delegierung von Aufgaben an andere Computer verantwortlich, z. B. für die Lagesteuerung, Berechnungen für Orbitalmanöver und Planungsaufgaben. Der Primärcomputer kann jedoch für Nutzlastaufgaben wie Bildverarbeitung, Datenanalyse und Datenkomprimierung verwendet werden.

Miniaturisierte Komponenten bieten eine Lageregelung, die normalerweise aus Reaktionsrädern, Magnetorquern, Triebwerken, Sternverfolgern, Sonnen- und Erdsensoren, Winkelgeschwindigkeitssensoren sowie GPS-Empfängern und -Antennen besteht. Viele dieser Systeme werden häufig in Kombination verwendet, um Mängel auszugleichen und Redundanzniveaus bereitzustellen.

Sonnen- und Sternsensoren dienen zur Richtungsbestimmung, während die Erfassung der Erde und ihres Horizonts für die Durchführung von Erd- und Atmosphärenstudien unerlässlich ist. Sonnensensoren sind auch nützlich, um sicherzustellen, dass der CubsSat seinen Zugang zu Sonnenenergie maximieren kann. Dies ist das Hauptmittel für die Stromversorgung eines CubeSat, bei dem Sonnenkollektoren in das Außengehäuse des Satelliten integriert sind.

In der Zwischenzeit kann der Antrieb in einer Reihe von Formen erfolgen, bei denen es sich um miniaturisierte Triebwerke handelt, die geringe Mengen spezifischer Impulse liefern. Satelliten sind auch Strahlungserwärmung durch Sonne, Erde und reflektiertes Sonnenlicht ausgesetzt, ganz zu schweigen von der Wärme, die von ihren Komponenten erzeugt wird.

Daher werden CubeSats auch mit Isolierschichten und Heizungen geliefert, um sicherzustellen, dass ihre Komponenten ihre Temperaturbereiche nicht überschreiten und dass überschüssige Wärme abgeführt werden kann. Oft sind Temperatursensoren enthalten, um gefährliche Temperaturerhöhungen oder -abfälle zu überwachen.

Für die Kommunikation können sich CubeSats auf Antennen verlassen, die im VHF-, UHF- oder L-, S-, C- und X-Band arbeiten. Diese sind aufgrund der geringen Größe und der begrenzten Kapazität des CubeSat meist auf 2 W Leistung begrenzt. Sie können Helix-, Dipol- oder Monodirektion-Monopolantennen sein, obwohl anspruchsvollere Modelle entwickelt werden.

Antrieb:

CubeSats setzen auf viele verschiedene Antriebsmethoden, was wiederum zu Fortschritten bei vielen Technologien geführt hat. Die gebräuchlichsten Methoden umfassen Kaltgas, chemische, elektrische Antriebe und Sonnensegel. Ein Kaltgasstrahlruder ist auf Inertgas (wie Stickstoff) angewiesen, das in einem Tank gespeichert und durch eine Düse freigesetzt wird, um Schub zu erzeugen.

In Bezug auf die Antriebsmethoden ist dies das einfachste und nützlichste System, das ein CubeSat verwenden kann. Es ist auch eines der sichersten, da die meisten kalten Gase weder flüchtig noch ätzend sind. Sie haben jedoch eine begrenzte Leistung und können keine Manöver mit hohen Impulsen erreichen. Daher werden sie im Allgemeinen in Lageregelungssystemen und nicht als Hauptantriebe verwendet.

Chemische Antriebssysteme beruhen auf chemischen Reaktionen, um Hochdruck- und Hochtemperaturgas zu erzeugen, das dann durch eine Düse geleitet wird, um Schub zu erzeugen. Sie können flüssig, fest oder hybride sein und beruhen normalerweise auf der Kombination von Chemikalien, die mit einem Katalysator oder einem Oxidationsmittel kombiniert sind. Diese Triebwerke sind einfach (und können daher leicht miniaturisiert werden), haben einen geringen Strombedarf und sind sehr zuverlässig.

Elektrischer Antrieb ist auf elektrische Energie angewiesen, um geladene Teilchen auf hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen - auch bekannt als. Hall-Effekt-Triebwerke, Ionen-Triebwerke, gepulste Plasma-Triebwerke usw. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da es einen hohen spezifischen Impuls mit einem hohen Wirkungsgrad kombiniert und die Komponenten leicht miniaturisiert werden können. Ein Nachteil ist, dass sie zusätzlichen Strom benötigen, was entweder größere Solarzellen, größere Batterien und komplexere Stromversorgungssysteme bedeutet.

Sonnensegel werden auch als Antriebsmethode verwendet, was vorteilhaft ist, da kein Treibmittel benötigt wird. Sonnensegel können auch auf die eigenen Dimensionen des CubSat skaliert werden, und die geringe Masse des Satelliten führt zu einer größeren Beschleunigung für die Fläche eines bestimmten Sonnensegels.

Sonnensegel müssen jedoch im Vergleich zum Satelliten immer noch recht groß sein, was die mechanische Komplexität zu einer zusätzlichen Quelle für potenzielle Ausfälle macht. Derzeit haben nur wenige CubeSats ein Sonnensegel eingesetzt, aber es bleibt ein Bereich potenzieller Entwicklung, da es die einzige Methode ist, die kein Treibmittel benötigt oder gefährliche Materialien enthält.

Da die Triebwerke miniaturisiert sind, ergeben sich verschiedene technische Herausforderungen und Einschränkungen. Zum Beispiel ist eine Schubvektorierung (d. H. Kardanringe) mit kleineren Triebwerken unmöglich. Daher muss die Vektorisierung stattdessen erreicht werden, indem mehrere Düsen verwendet werden, um asymmetrisch zu schieben, oder indem betätigte Komponenten verwendet werden, um den Schwerpunkt relativ zur Geometrie des CubeSat zu ändern.

Geschichte:

Ab 1999 entwickelten die California Polytechnic State University und die Stanford University die CubeSat-Spezifikationen, um Universitäten weltweit bei der Durchführung von Weltraumwissenschaften und -erkundungen zu unterstützen. Der Begriff „CubeSat“ wurde geprägt, um Nanosatelliten zu bezeichnen, die den in den CubeSat-Designspezifikationen beschriebenen Standards entsprechen.

Diese wurden von den Professoren für Luft- und Raumfahrttechnik Jordi Puig-Suari und Bob Twiggs vom Department of Aeronautics & Astronautics der Stanford University entworfen. Seitdem hat es sich zu einer internationalen Partnerschaft von über 40 Instituten entwickelt, die Nanosatelliten mit wissenschaftlichen Nutzlasten entwickeln.

Anfangs waren akademische Einrichtungen trotz ihrer geringen Größe insofern begrenzt, als sie gezwungen waren, manchmal Jahre auf eine Startmöglichkeit zu warten. Dies wurde bis zu einem gewissen Grad durch die Entwicklung des Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (auch als P-POD bekannt) durch California Polytechnic behoben. P-PODs werden an einer Trägerrakete montiert und befördern CubeSats in die Umlaufbahn und setzen sie ein, sobald das richtige Signal von der Trägerrakete empfangen wird.

Laut JordiPuig-Suari bestand der Zweck darin, "die Satellitenentwicklungszeit auf den Zeitrahmen der Karriere eines College-Studenten zu verkürzen und Startmöglichkeiten mit einer großen Anzahl von Satelliten zu nutzen". Kurz gesagt, P-PODs stellen sicher, dass viele CubeSats jederzeit gestartet werden können.

Mehrere Unternehmen haben CubeSats gebaut, darunter der Großsatellitenhersteller Boeing. Der Großteil der Entwicklung kommt jedoch aus dem akademischen Bereich, mit einer gemischten Bilanz von erfolgreich umkreisten CubeSats und fehlgeschlagenen Missionen. Seit ihrer Gründung wurden CubeSats für unzählige Anwendungen eingesetzt.

Sie wurden beispielsweise verwendet, um automatische Identifikationssysteme (AIS) einzusetzen, um Seeschiffe zu überwachen, Erdfernsensoren einzusetzen, die Langzeitlebensfähigkeit von Weltraumbändern zu testen sowie biologische und radiologische Experimente durchzuführen.

Innerhalb der akademischen und wissenschaftlichen Gemeinschaft werden diese Ergebnisse geteilt und Ressourcen zur Verfügung gestellt, indem direkt mit anderen Entwicklern kommuniziert und an CubeSat-Workshops teilgenommen wird. Darüber hinaus kommt das CubeSat-Programm privaten Unternehmen und Regierungen zugute, indem es eine kostengünstige Möglichkeit bietet, Nutzlasten im Weltraum zu fliegen.

2010 gründete die NASA die „CubeSat Launch Initiative“, die Startdienste für Bildungseinrichtungen und gemeinnützige Organisationen bereitstellen soll, damit diese ihre CubeSats ins All bringen können. 2015 initiierte die NASA ihre Cube Quest Challenge im Rahmen ihrer Centennial Challenges-Programme.

Mit einem Preisgeld von 5 Millionen US-Dollar zielte dieser Incentive-Wettbewerb darauf ab, die Schaffung kleiner Satelliten zu fördern, die über die Erdumlaufbahn hinaus operieren können - insbesondere im Mondorbit oder im Weltraum. Am Ende des Wettbewerbs werden bis zu drei Teams ausgewählt, um ihr CubeSat-Design 2018 an Bord der SLS-EM1-Mission zu starten.

Die InSight-Lander-Mission der NASA (deren Start für 2018 geplant ist) wird auch zwei CubeSats umfassen. Diese werden einen Vorbeiflug am Mars durchführen und zusätzliche Relaiskommunikation zur Erde während des Eintritts und der Landung des Landers bereitstellen.

Dieser experimentelle CubeSat in 6U-Größe, der als Mars Cube One (MarCO) bezeichnet wird, wird die erste Weltraummission sein, die sich auf die CubeSat-Technologie stützt. Es wird eine X-Band-Antenne mit hoher Verstärkung und flachem Panel verwenden, um Daten an den Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) der NASA zu übertragen, der sie dann an die Erde weiterleitet.

Raumsysteme kleiner und erschwinglicher zu machen, ist eines der Kennzeichen der Ära der erneuten Erforschung des Weltraums. Dies ist auch einer der Hauptgründe, warum die NewSpace-Branche in den letzten Jahren sprunghaft gewachsen ist. Und mit einer stärkeren Beteiligung sehen wir höhere Renditen in Bezug auf Forschung, Entwicklung und Exploration.

Wir haben viele Artikel über CubeSat for Space Magazine geschrieben. Hier ist die Planetary Society, die drei separate Sonnensegel startet, die ersten interplanetaren CubeSats, die auf dem InSight Mars Lander 2016 der NASA gestartet werden, und CubeSats dazu bringt, Astronomie zu betreiben. Was können Sie mit einem Cubesat tun?

Wenn Sie weitere Informationen zu CubeSat wünschen, besuchen Sie die offizielle Homepage von CubeSat.

Wir haben eine Episode von Astronomy Cast rund um das Space Shuttle aufgenommen. Hören Sie hier, Episode 127: Das US Space Shuttle.

Quellen: