ESTCube-1

ESTCube-1
ESTCube-1 mākslinieka skatījumā
KA veids	eksperimentāls pavadonis
Operators	Tartu universitāte, Igaunija
Izgatavotāji	Tartu universitāte
Bāzes platforma	CubeSat 1U
Starta datums	07.05.2013. 02:06:31 UTC
Starta vieta	Gviānas kosmiskais centrs ELA-1 Gviāna
Nesējraķete	Vega
Palaists kopā ar	Proba-V, VNREDSat 1A
Lidojuma ilgums	1 gads (plānots)
Tīmekļa vietne	estcube.eu
Masa	1,048 kg
Orbītas elementi
Centr. ķermenis	Zeme
Orbītas veids	Saules-sinhronā orbīta

ESTCube-1 ir pirmais Igaunijas pavadonis, kas palaists 2013. gada maijā. Tas izstrādāts Tartu universitātes studentu satelītu programmas ESTCUBE ietvaros. ESTCube-1 galvenais uzdevums ir kosmosā izvērst elektrisko saules buru, kas būs pirmais šāds eksperiments pasaulē.

2011. gada 21. janvārī kosmiskais aparāts tika nodots palaišanas nodrošinātājam Nīderlandes uzņēmumam ISIS. To saules-sinhronā orbītā plānots palaist 2013. gada aprīlī.

Misija un uzdevumi

ESTCube-1 misija ir izpildīt pirmo elektriskās saules buras eksperimentu kosmosā.

Misiju var iedalīt sekojošās fāzēs.

Starts

Palaišana zemajā Zemes orbītā aptuveni 680 km augstumā ar Vega nesējraķeti.

Stabilizācija

Pēc satelīta ievirzīšanas orbītā tas kūleņos — tam būs nejaušs leņķiskais ātrums ap visām asīm. Lai to novērstu, tiek veikta stabilizācija.

Orientācija

Pavadoņa orientācija ir nepieciešama sekojošu darbību veikšanai:

• Antenas orientācija Zemes stacijas virzienā, lai nodrošinātu pēc iespējas labākus sakarus.
• Kameras orientācija nadīra virzienā, lai uzņemtu Zemes attēlus.

Iegriešana

Lai nodrošinātu sekmīgu eksperimentu, satelīts tiks iegriezts ap asi, kas perpendikulāra pavediena iztīšanas plaknei. Leņķiskajam ātrumam ap rotācijas asi jābūt vienam apgriezienam sekundē. Rotācijas ass tiks orientēta perpendikulāri Zemes polārajai asij.

Pavediena iztīšana

Shematisks pavediena (tether) un rotācijas ass (spin axis) attēlojums

Sasniedzot nepieciešamo leņķisko ātrumu, tiks iztīts viens 10 m garš, 50 μm tievs pavediens un novērots ar kameru. Tā kā pavediens ir pārāk tievs, lai to redzētu attēlā, tā galā būs piestiprināts neliels alumīnija elements, ko varēs redzēt attēlos.

Kad satelīts atradīsies virs kāda no Zemes poliem, tiks veikts eksperiments — iedarbināts elektronu lielgabals un mērīti šādi lielumi:

• rotācijas ātruma izmaiņas, lai noteiktu elektriskās buras efektu;
• orbītas izmaiņas, salīdzinot ar citiem pavadoņiem, kas palaisti ar to pašu nesējraķeti, lai noteiktu bremzēšanos plazmā.

Eksperimentu vislabāk ir izpildīt virs poliem, jo nepieciešams nodrošināt, ka Zemes magnētiskā lauka līnijas ir perpendikulāras pavedienam.

Orbītas novirzīšana

Pēc eksperimenta ir paredzēts, ka satelīts tiks novirzīts no orbītas, lai sadegtu atmosfērā. Taču, tā kā ir iespējams augšupielādēt jaunu programmatūru, pirms orbītas novirzīšanas varēs izpildīt citus, piemēram, stāvokļa kontroles eksperimentus. Kosmisko aparātu nepieciešams novirzīt no orbītas un iznīcināt, lai tas nekļūtu par kosmosa atkritumu. Tā kā mūsdienās tiek būvēti un palaisti arvien vairāk pavadoņi, kosmosa atkritumi ap Zemi kļūst arvien lielāka problēma.

Papildu uzdevumi

ESTCube-1 misijai ir uzstādīti arī šādi uzdevumi:

• nodibināt sakarus ar Zemes staciju;
• veikt visu sistēmu pārbaudi, lai pārliecinātos par satelīta spēju darboties un izpildīt misijai nepieciešamos uzdevumus;
• uzņemt Zemes attēlus.

Uzbūve

ESTCube-1 tiek veidots pēc CubeSat standarta, kas nosaka masas un izmēra ierobežojumus: attiecīgi, līdz 1,3 kg un 10 × 10 × 10 cm.

Apakšsistēmas

ESTCube-1 sastāv no sekojošām apakšsistēmām.

Stāvokļa noteikšanas un kontroles sistēma

Induktivitātes spoles satelīta stāvokļa kontrolei

Induktivitātes spoļu uztīšanas ripa

Stāvokļa noteikšanas un kontroles sistēma (val|en|Attitude Determination and Control System}}, ADCS) ir svarīgākā sistēma, kas nodrošina sekmīgu elektriskās buras eksperimentu, jo tā veic satelīta iegriešanu. Bez tam ADCS arī veic stabilizāciju, orientāciju un saistītos mērījumus ar attiecīgajiem sensoriem:

• magnētiskais lauks — magnetometri;
• Saules pozīcija — saules sensori;
• leņķiskais paātrinājumas — žiroskopi.

Redundances nolūkos uz kosmiskā aparāta ir izvietoti divi magnetometri un leņķiskā ātruma sensori, un uz katras pavadoņa malas ir izvietots viens saules sensors, lai Saules atrašanos varētu noteikt jebkurā brīdī (izņemot, kad satelīts atrodas Zemes ēnā, un Saule nav redzama). No šiem mērījumiem ir iespējams noteikt kosmiskā aparāta stāvokli (satelīta koordinātu sistēmas attiecību pret Zemes koordinātu sistēmu) un leņķisko ātrumu ap pavadoņa koordinātu sistēmas asīm. Satelīta atrašanās orbītā tiek noteikta no divu līniju elementiem (Two Line Elements, TLE). Pie trīs ortogonāli izvietotām pavadoņa malām ir novietotas induktivitātes spoles, kas, iedarbojoties ar Zemes magnētisko lauku, dod iespēju kontrolēt satelīta stāvokli trīs dimensijās. ADCS nav procesora — aprēķinus veic komandu un datu pārvaldes sistēma.

Komandu un datu pārvaldes sistēma

Komandu un datu pārvaldes sistēma (Command and Data Handling System, CDHS) ir saistīta ar visām pārējām apakšsistēmām, jo nodrošina gan iekšējo saziņu, gan komandu izpildi, gan drošu datu saņemšanu, apstrādi un glabāšanu. Tā kā sistēma ir kritiska visās misijas fāzēs, gandrīz visi sistēmas aparatūras elementi ir dublēti. CDHS ir vienīgā apakšsistēma, kas izmanto operētājsistēmu — FreeRTOS.

Sakaru sistēma

Sakaru sistēma (Communication System, COM) ir paredzēta komunikācijai ar Zemes staciju — komandu un jaunas programmatūras saņemšanai (2 m viļņu garumā) un datu lejupielādēšanai (0,7 m garumā).

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma

Saules baterijas

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma (Electric Power System, EPS) nodrošina elektrības padevi visām apakšsistēmām. Elektrība tiek iegūta no Saules baterijām. Laikā, kad satelīts atrodas Zemes ēnā (aptuveni 30% laika), elektrība tiek ņemta no litija jonu baterijām. EPS arī ir atbildīga par citu apakšsistēmu pārbaudi, vai tās darbojas atbilstoši un nepārtraukti. Tā kā EPS ir sistēma, bez kuras citas apakšsistēmas nespētu funkcionēt, tā arī sūta statusa datus uz Zemes staciju. Statusa dati galvenokārt sastāv no svarīgākajiem telemetrijas datiem.

Kamera

Kameras prototips

Kameras (Camera, CAM) uzdevums ir uzņemt Zemes attēlus un novērot, vai pavediens ir iztīts eksperimenta laikā. CAM spēj uzņemt augstas izšķirtspējas attēlus. Tā kā pārsūtāmo datu daudzums ir ierobežots, tad CAM spēs lokalizēt pavediena galā piestiprināto elementu un izgriezt no attēla tikai to daļu, kas satur nepieciešamo informāciju.

Struktūras sistēma

Rāmja struktūras prototips

Struktūras sistēmas (Structure, STR) uzdevums ir nodrošināt izturīgu struktūru un mehāniskās komponentes kosmiskajam aparātam.

Temperatūras kontroles sistēma

Temperatūras kontroles sistēmas (Thermal Control System, TCS) uzdevums ir nodrošināt satelīta iekšējās temperatūras kontroli. Pavadonis orbītā saskaras ar skarbiem apstākļiem, tajā skaitā lielām temperatūras izmaiņām, kas var izraisīt bojājumus kosmiskā aparāta komponentēs. Lai temperatūru satelīta iekšpusē nodrošinātu viscaur vienādu un tuvu istabas temperatūrai (lielāka daļa mehāniskās un elektroniskās komponentes ir paredzētas darbam istabas temperatūrā), tiek izmantotas pasīvas metodes, kas siltumstarojumu no Saules un iekšējiem avotiem izdala vienmērīgi korpusa iekšienē. Šādas pasīvās metodes ir atšķirīgas virsmu apdares un krāsas. Lai pārliecinātos, ka izvēlētās temperatūras kontroles metodes strādās, tiek veiktas simulācijas.

Kosmosa vide

Kosmosa vides (Space Environment, ENVI) uzdevums ir izvērtēt kosmosa vides ietekmi uz satelītu un pēc iespējas vairāk samazināt to aspektu ietekmi, kas var traucēt sekmīgai pavadoņa darbībai. ENVI uzdevuma sasniegšanai nepieciešams izvērtēt un izvēlēties, kādi materiāli tiks izmantoti kosmiskā aparāta izstrādē, un kā tiks izstrādātas elektroniskās komponentes, ņemot vērā misijas prasības un izvēlēto risinājumu izmaksas un masu.

Sistēmas inženierija

Sistēmas inženierijas (System engineering, SYS) uzdevums ir pārskatīt visu satelīta izstrādes procesu un saskaņot saskarnes starp apakšsistēmām.

Derīgā krava

Derīgā krava (Payload, PL) sastāv no aparatūras un detaļām, kas nepieciešamas elektriskās buras eksperimentam.

Zemes stacija

Zemes stacijas antena

Zemes stacija (Ground Station, GS) nodrošina saziņu starp satelītu un Zemi. Atrodas Tartu. Tā sastāv no antenas, vairākiem serveriem un klientu aplikācijām, kas paredzētas līdzīgām misijām.

Testēšana

Testēšanas iekārta ārējā magnētiskā lauka simulācijām

Lielu induktivitātes spoļu uztīšanas iekārta

Gaismas avota testēšanas iekārta saules sensoriem un baterijām

Lai panāktu sekmīgu misiju, papildus funkcionālajām pārbaudēm tiek veikti testi, kas pietuvināti atdarina apstākļus zemajā Zemes orbītā:

• temperatūras;
• vakuuma;
• vibrāciju;
• ultravioletā starojuma;
• radiācijas.

Īpaša uzmanība tiek pievērsta programmatūras testēšanai — tiek veikti gan tipiski programmatūras, gan kļūdu injekciju testi, kas simulē ārējās vides ietekmi uz aparatūru un programmu izpildi. Lai samazinātu iespējamību, ka misija neizdosies, visās apakšsistēmās īpaša uzmanība tiek pievērsta redundancei — gan aparatūras, gan programmatūras līmenī. Redundance aparatūras līmenī tiek nodrošināta ar šādām metodēm:

• sensoru un svarīgo aparatūras elementu dublēšana;
• autonoma barošana redundantajiem aparatūras elementiem;
• aizsardzība pret pārspriegumu un pārstrāvu.

Šādas metodes nodrošina redundanci programmatūras līmenī:

• drošas mainīgo operācijas (piemēram, aritmētiskās operācijas tiek izpildītas vairākkārt, un tiek pieņemts tas rezultāts, kurš atkārtojas visvairāk);
• datu dublēšana un kontrolsummu pārbaudīšana;
• iespējamību augšupielādēt jaunu programmatūru no Zemes stacijas.

Skatīt arī

• ESTCUBE programma
• Elektriskā saules bura

Ārējās saites

• estcube.eu (igauniski)
• ESTCube 1 Gunter's Space page (angliski)