«Разработка малого космического аппарата формата CubeSat-3U»
проект по астрономии (11 класс)

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ХАНТЫ – МАНСИЙСКИЙ АВТОНОМНЫЙ ОКРУГ – ЮГРА

ГОРОД ПОКАЧИ

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №2»

Городской конкурс

учебно-исследовательских и творческих работ

«Юность в науке»         

                                                                                            Инженерные науки в техносфере            

                                                                                                            настоящего и будущего

«Разработка малого космического аппарата формата CubeSat-3U» 

Выполнила: Мамедова Сабина

ученица 11«А» класса МАОУ СОШ № 2

Руководитель: Сирачитдинова А.З.

учитель истории

г. Покачи, 2022 г

Аннотация

Наверное, каждый из нас кричал, глядя в глубокое звездное небо:

- Смотри, смотри, спутник летит! И этот спутник совсем не ассоциировался ни с чем, кроме космоса.

Спутники для нас – это и связь, и телевидение, и определение координат, и охрана, и Интернет. И люди еще много чего придумают, чтобы космические технологи служили на благо человека.

Во время смены «Большие вызовы», организованного в образовательном центре     «Сириус», я занималась разработкой малого космического аппарата формата CubeSat-3U.Об этом процессе я и хотел бы рассказать.

Актуальность проекта

В настоящее время быстро развивается область малых спутников. Их функционал позволяет эффективно использовать их не только в космосе, но и на Земле (аэрофотосъёмка, например). Также спутники CubeSat помогают защитить электронику от сбоев во время солнечных бурь, предоставляют возможность быстро ставить эксперименты и проводить в космосе испытания. Они также оказались весьма полезными в получении данных наблюдения, которые предоставляются ими чаще, чем одним большим спутником. Технологии, используемые для создания спутников типа CubeSat-3U, являются достаточно простыми, а отдельные комплектующие несложно приобрести самостоятельно. Создание такого спутника доступно для большинства людей, хорошо владеющих технической грамотой и готовых к использованию инновационных решений.

Цель: Разработать и собрать действующий многофункциональный модуль, способный передавать информацию с различных датчиков в Центр управления полётами.

Задачи:

1. Проанализировать существующие аналоги.
2. Изучить среду разработки приложения Arduino IDE.
3. Разработать и собрать действующий модуль.
4. Разработать программу для управления.
5. Провести испытания.

       Гипотеза: можно разработать и собрать действующий многофункциональный   модуль, способный передавать информацию.

     Оснащение и оборудование, использованное при создании работы:

• Грани корпуса
• Угловой корпус
• Контроллер Arduino UNO
• Набор монтажных проводов
• Петли
• Датчик угловых скоростей MPU9265
• Двигатель-маховик
• Драйвер электродвигателя
• Proto Shield
• Power Shield
• Стойки для плат
• Крепёж М3
• Паяльник с припоем и канифолью
• Инструмент для очистки проводов
• Кусачки
• Пассатижи
• Отвёртка РН1

План исследования

В ходе работы над проектом были проанализированы существующие аналоги многофункционального модуля, изучены стандарты и требования к запуску малых спутников.

Я ознакомилась со средой разработки Arduino IDE. Спроектировала и собрала корпус и электронику аппарата. Разработала действующую программу управления датчиками, а также программу для центра управления полётами.

Был собран и протестирован действующий модуль на базе Arduino c датчиками, модулем связи, батареей, отсеком для измерений и т. д.

Структура и дизайн «кубсата»

         «Кубсаты», известные также как наноспутники, строятся в стандартном размере 10 х 10 х 11 сантиметров (1U) и выполнены в форме кубика, как легко догадаться по названию. Они масштабируются и бывают разных версий — 1U, 2U, 3U или 6U. Весит

такой спутник 1,33 кг на U. Кубсаты выше 3U по размерам — это большие прототипы, составленные из трех кубиков, которые находятся в цилиндре.

 В последние годы предлагались и более крупные платформы CubeSat, включающие модель в 12U (20 x 20 x 30 сантиметров). Она позволила бы расширить возможности кубсатов, выйдя за пределы академических исследований, и проводить испытания новых технологий, включая более сложную науку и оборонку. Основная причина миниатюризации спутников заключается в снижении стоимости развертывания и поскольку их можно развернуть на остатках мощности ракеты. Это позволяет снизить различные риски, а также существенно ускорить процесс запуска.

Также их можно делать на основе готовых коммерческих электронных компонентов, что относительно легко. Обычно миссии с участием кубсатов запускаются на самую низкую околоземную орбиту, а через несколько дней или недель они уже повторно входят в атмосферу, что позволяет проигнорировать излучение и использовать обычную технику, как из магазина электроники.

Кубсаты делают из четырех определенных типов алюминиевого сплава, чтобы гарантировать, что у них с ракетой-носителем будет один и тот же коэффициент теплового расширения. Спутники также покрываются защитным слоем оксида на всех поверхностях, что предотвращает холодную сварку с местом под большим давлением.

1. Теоретическая часть

1.1 Что такое искусственный спутник земли?

Искусственные Спутники Земли (ИСЗ) - космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения научных и прикладных задач. В соответствии с международной договорённостью космический аппарат называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли.

1.2 Классификация спутников

Спутники классифицируют по областям их действия:

Астрономические спутники — это спутники, предназначенные для исследования планет, галактик и других космических объектов. 

Биоспутники — это спутники, предназначенные для проведения научных экспериментов над живыми организмами в условиях космоса.

Космические корабли — пилотируемые космические аппараты. 

Метеорологические спутники — это спутники, предназначенные для предсказания погоды

Разведывательные спутники - предназначены для наблюдения Земли (телевизионная съёмка, фотосъёмка) в целях обеспечения разведывательной деятельности

Навигационные спутники - система, предназначенная для определения местоположения.

Спутники связи -  специализированы для ретрансляции радиосигнала между точками на поверхности Земли, не имеющими видимости прямого типа.

Без спутниковых технологий мы бы никогда не имели возможность найти друг друга, связаться с кем-либо на нашей большой планете, узнать погоду и т.д.

Навигационные спутники – это известная американская система GPS (Global

Positioning System) включает в себя 24 искусственных спутника, широкую сеть наземных станций. GPS – система работает беспрерывно. Использовать ее может любой человек планеты, надо только приобрести GPS-навигатор. Производители предлагают портативные, автомобильные, авиационные, морские модели. Поисковые работы и спасательные операции ни в одной стране мира не обходятся без помощи GPS. Не так давно Россия развернула свою систему навигации ГЛОНАСС, аналогичную американской, и с таким же уровнем точности определения координат.

Спутники связи - самые распространенные и известные глобальные спутниковые системы связи. В самом начале их создания предполагалось, что эти системы организуют подвижную и стационарную телефонию там, где отсутствуют линии связи. В дальнейшем развитии появились новые возможности: выход в Интернет, передача информации в различных форматах.  Действие спутника связи можно описать так: спутник принимает сигнал абонента и передает его на ближайшую станцию на Земле. Станция определяет сигнал, выбирает маршрут и направляет его по наземным сетям или спутниковому каналу до пункта приема.

Метеорологические спутники -  искусственный спутник Земли, созданный для получения из космоса метеорологических данных о Земле, которые использyются для прогноза погоды. Спутники этого типа несут на борту приборы, с помощью которых наблюдают в частности за температурой поверхности Земли и облачным, снеговым и ледовым покровом. Методы получения метеоинформации и способы её обработки с помощью метеоспутников изучает спутниковая метеорология. Метеоспутники вместе со станциями приёма и обработки данных образуют метеорологическую космическую систему. В России эксплуатацией метеоспутников занимается организация ФГБУ «НИЦ „Планета“», страны Европы обслуживает организация EUMETSAT.

1.3. Когда были изобретены искусственные спутники?

4 октября 1957 года Советский Союз запустил «Спутник-1» - первый искусственный спутник, выведенный на орбиту Земли. «Спутник» был 58 сантиметров в диаметре, весил 83 килограмма и был выполнен в форме шарика. Это было великое достижение, но строение спутника было очень простым. На внешней стороне «Спутника» четыре штыревые антенны передавали на коротковолновой частоте выше и ниже нынешнего стандарта (27 МГц). Станции земли поймали спутники на орбите и передали сигнал об этом. Позже Советский Союз запустил на орбиту «Спутник-2». Внутри спутника находилась собака Лайка. После этого успеха кампании начали производить и запускать спутники в 60-х годах. Одной из них была кампания  Hughes Aircraft . Идеей этой кампании был спутник связи, размещенный на орбите Земли таким образом, что мог отражать радиоволны из одного места в другое. В июле 1963 года спутник Syncom-2 взлетел в космос и вышел на грубую геосинхронную орбиту. Президент Кеннеди использовал новую систему, чтобы поговорить с премьер-министром Нигерии в Африке. Вскоре взлетел и Syncom-3, который на самом деле мог транслировать телевизионный сигнал. Так началась эпоха спутников.

1.4.Выведение искусственных спутников земли на орбиту

        Искусственные спутники земли выводятся на орбиты на ракете. Многие спутники перевозятся в грузовом отделе. Путь выведения, называется траекторией выведения спутника на орбиту, составляет обычно от 2-3 тыс. км. Ракета стартует, двигается вертикально вверх, и проходит на очень маленькой скорости сквозь самые плотные слои земной атмосферы. После выхода ракеты в разреженный воздух, на высоту около 193 километров, система навигации выпускает на орбиту маленькие ракетки, это необходимо для переворота ракеты в горизонтальное положение. Запускаемый космический аппарат, который несёт последняя ступень ракеты, становится искусственным небесным телом, автоматически отделяется от неё и начинает своё движение по некоторой орбите относительно Земли. Чтобы обеспечить расстояние между ракетой и спутником, небольшие ракеты выпускаются снова. Вид начальной орбиты спутника по отношению к Земле полностью зависит от его положения и скорости в конце активного участка и математически можно рассчитать с помощью методов небесной механики.
2. Устройство искусственных спутников земли

Все спутники похожи, но каждый из них выполняет определенную функцию. Абсолютно все спутники имеют каркас из металла с и тело, которое называется космической платформой. Космическая платформа держит все вместе и обеспечивает безопасность всех инструментов во время запуска. Все спутники имеют источники питания, это солнечные батареи и аккумуляторы. Солнечные батареи заряжают аккумуляторы. Новейшие спутники включают и топливные элементы. Энергия спутников очень дорогая и крайне ограничена. Все спутники имеют бортовой компьютер, который нужен для контроля и мониторинга различных систем. Также у всех есть радио и антенна. Как минимум, у большинства спутников есть радиопередатчик и радиоприемник, с помощью этого экипаж наземной команды может запросить информацию о состоянии спутника и наблюдать за ним. Спутники очень многофункциональны, они могут как изменять орбиту, так и перепрограммировать собственную компьютерную систему. Как и следовало ожидать, собрать все эти системы воедино — непростая задача. Она занимает годы. Искусственные спутники, как правило, производятся на заказ. Разработаны модульные спутники, которые позволяет устанавливать дополнительные элементы согласно спецификации. К примеру, у спутников Boeing 601 было два базовых модуля — шасси для перевозки двигательной подсистемы, электроника и батареи; и набор сотовых полок для хранения оборудования. Такая модульность позволяет производить спутники с помощью заготовки

2.1.Компоненты «кубсатов»

Кубсаты зачастую оснащены множеством бортовых компьютеров для проведения исследований, а также для управления ориентацией, подруливающими устройствами и коммуникациями. Как правило, обилие бортовых компьютеров позволяет перераспределить нагрузку в случае избытка данных. Основной компьютер отвечает за делегирование задач другим компьютерам — например, управление ориентацией, расчет орбитальных маневров и планирование задач. Также основной компьютер можно использовать для выполнения задач, связанных с грузом, вроде обработки изображений, анализа данных и сжатия данных.

Миниатюрные компоненты, обеспечивающие управление ориентацией, состоят из маховиков, движителей, звездных трекеров, датчиков Земли и Солнца, датчиков угловых скоростей, GPS-приемников и антенн. Многие из этих систем часто используются в сочетании, чтобы компенсировать недостатки и обеспечить уровень избыточности. Датчики Солнца и звезд используются для направления спутника, а датчик Земли и ее горизонта необходим для проведения земных и атмосферных исследований. Солнечные датчики также нужны, чтобы кубсат получал максимум солнечной энергии.

В то же время движение происходит в разных формах, все из которых включают миниатюрные двигатели, обеспечивающие различный импульс. Спутники также подвержены радиационному нагреву Солнца, Земли и отраженного солнечного света, не говоря уж о тепле, вырабатываемом их компонентами. Поэтому кубсат имеет изоляционные слои и теплозащиту, которая гарантирует, что компоненты не будут нагреваться выше положенного и что избыточное тепло будет рассеиваться. Зачастую для наблюдения за температурой включат датчики температуры. Для связи кубсат полагается на антенну, которая работает в VHF, UHF, L-, S-, C- или X-диапазонах. Они ограничены двумя ваттами энергии из-за небольших размеров и ограниченных возможностей спутников. Эти антенны могут быть спиральными, дипольными или монопольными, хотя бывают и более сложные модели

 2.2. Движение кубсата

Кубсаты полагаются на множество различных методов движения, что в свою очередь привело к прогрессу в разных сферах технологий. Самые распространенные методы включают холодный газ, химическое, электрическое движение и солнечные паруса. Тяга на холодном газе подразумевает хранение инертного газа (например, азота) в баке и выпуск через сопло для движения.

 Это самая простая, полезная и безопасная система, которую может использовать кубсат, поскольку большинство газов холодные и не являются ни летучими, ни едкими. Тем не менее они также предполагают ограниченную эффективность и не позволяют особо разогнаться или поманеврировать. Поэтому они используются в системах управления высотой, а не в качестве основных двигателей.

Системы химической тяги опираются на химические реакции для получения газа под высоким давлением и при высокой температуре, которые затем направляется в сопло для создания тяги. Они могут быть жидкими, твердыми или гибридными и, как правило, сводятся к комбинации химических веществ и катализаторов или окислителей. Эти двигатели просты (а значит и миниатюрны), имеют низкие требования к мощности и очень надежны.

Электрическая тяга полагается на электрическую энергию для ускорения заряженных частиц до высоких скоростей. Двигатели Холла, ионные двигатели, импульсные плазменные двигатели — это все сюда. Этот вид тяги сочетает высокий удельный импульс с высокой эффективностью, а его компоненты можно легко уменьшить. Недостатком является то, что они требуют дополнительной мощности, а значит нужны будут и более крупные солнечные батареи, и более сложные системы питания.

Для движения также используются солнечные паруса, которые полезны, поскольку не нуждаются в топливе. Солнечные паруса также можно масштабировать в зависимости от размеров кубсата, а малая масса спутников приводит к значительному ускорению при помощи паруса.

Тем не менее солнечные паруса должны быть достаточно велики по сравнению со спутником, что добавляет механической сложности и возможностей для потенциального отказа. В настоящее время не так много кубсатов оснащали солнечным парусом, но поскольку это единственный метод на текущий момент, который не требует ракетного топлива и не включает опасные материалы, интерес к нему не исчезает.

Поскольку двигатели миниатюрны, с этим сопряжено несколько технических проблем. Например, операции с вектором тяги невозможны при небольших двигателях. Управление вектором тяги осуществляется за счет использования асимметричной тяги из множества сопел или за счет изменения центра массы относительно геометрии кубсата.

2.3.История «кубсата»

 Начиная с 1999 года Политехнический университет штата Калифорния и Стэнфордский университет разрабатывали спецификации CubeSat, чтобы помочь университетам всего мира «выйти в космос». Термин CubeSat был придуман для обозначения наноспутников, которые соответствуют стандартам, указанным в проектных спецификациях. Основы этих спецификаций были заложены профессором авиационно-космической техники Джорди Пьюиг-Суари и Бобом Твиггсом из Стэнфордского университета. С тех пор на основе этой работы выросло международное партнерством более 40 институтов, которые разрабатывают ценный груз для наноспутников при проведении собственных исследований.

Первоначально, несмотря на их малые размеры, научные учреждения были существенно ограничены, вынужденные ждать возможности запуска годами. В некоторой степени это было исправлено появлением Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (P-POD), созданного Политехническим калифорнийским университетом. P-POD монтируются к пусковой ракете и выводят кубсаты на орбиту, выпуская их после получения правильного сигнала от носителя.

 Если коротко, P-POD позволили запускать множество кубсатов в строго указанное время. Производством кубсатов занимается множество компаний, включая Boeing. Но большая часть интереса проистекает со стороны научного сообщества, с гремучей смесью успешно запущенных на орбиту кубсатов и проваленных миссий. С момента создания кубсаты использовались множество раз. Например, для развертывания системы автоматической идентификации для мониторинга морских судов; удаленных датчиков Земли; для проверки долгосрочной жизнеспособности космических тросов, а также для проведения биологических и радиологических экспериментов. Внутри академического и научного сообщества эти результаты являются общими и достигаются за счет широкого вовлечения институтов и сотрудничества разработчиков.

3. Будущее искусственных спутников земли

Спустя почти пятьдесят лет после запуска первого спутника, прогресс не стоит на месте, спутники изменяются и развиваются. США с самого начала появления спутников потратили большие средства на их развитие, а теперь они имеют стареющие аппараты, требующие замены. Строительство спутников не может существовать на деньги налогоплательщиков, поэтому одно из немногих, на сегодняшний день, решение проблемы –это частные компании, вроде SpaceX, Virgin Galactic и другие. Другое решение — сокращение размера и сложности спутников. С 1999 года идет разработка совершенно нового спутника CubeSat, в основе которого лежат строительные блоки с гранью в 10 сантиметров. Каждый куб содержит готовые компоненты и может объединиться с другими кубиками, чтобы повысить эффективность и снизить нагрузку.

Благодаря стандартизации дизайна и сокращению расходов на создание каждого спутника с нуля, один CubeSat может стоить всего 100 000 долларов.В апреле 2013 года NASA решила проверить этот простой принцип и запустило три CubeSat на базе коммерческих смартфонов. Цель состояла в том, чтобы вывести микроспутники на орбиту на короткое время и сделать несколько снимков на телефоны. Теперь агентство планирует развернуть обширную сеть таких спутников.

Заключение

Изучив информацию о создании и развитии искусственных спутников земли, я пришел к следующим выводам:

1.  Причины создания искусственных спутников земли прежде для комфортной жизни людей.

2. Искусственные спутники земли имеют сложное строение. Существуют различные приспособления, помогающие спутникам делать нашу жизнь проще.

 3. Искусственные спутники земли имеют различное строение. Это, прежде всего, связано с тем, что они предназначены для работы в разных условиях;

 4. Благодаря искусственным спутникам человечество изобрело новые технологии: интернет, телевидение, навигация.

Список используемых источников

1.Искусственные спутники и научные исследования Кинг-Хили Д, 1963 г

2.Андреанов В.В. и др. Автоматические планетные станции. M«: Наука, 1973, 320

3.Андрейчук О.В.,Малахов H.H. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982, 143 с.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/   

5. https://hi-news.ru/technology/kak-rabotayut-sputniki.html