Technické informace

Stabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCube

Mechanické řešení pikosatelitu PilsenCube

Stabilizační subsystém bývá jednou z nejsložitějších částí pikosatelitů a jeho realizace pro pikosatelity CubeSat je technickou výzvou, protože většina ověřených technologií je pro tyto malé pikosatelity nevhodná z prostorových, hmotnostních i příkonových důvodů. Na druhou stranu, stabilizační subsystém není nezbytnou součástí, a tak mnoho pikosatelitů jej vůbec nemá. Obecně cílem stabilizačních subsystémů je určit prostorovou orientaci, polohu a rychlost rotace pikosatelitu a cíleně je ovlivňovat. Úspěšná implementace stabilizačního subsystému ovšem podstatně rozšiřuje možnosti pikosatelitu. Je pak možné cíleně natáčet solární stěny ke Slunci pro dodávku vyššího elektrického výkonu, cíleně natáčet antény do směru pozemní komunikační stanice pro vyšší přenosové rychlosti, cíleně natáčet senzory do zájmové oblasti (fotoaparáty, kamery, detektory), plánovat probouzení subsystémů podle polohy pikosatelitu pro ušetření energie, zajistit termoregulaci odkláněním přehřátých stěn od Slunce, atd.

Části stabilizačního subsystému pikosatelitu PilsenCube

Určení prostorové orientace se provádí vůči známým tělesům (Zemi, Slunci, hvězdám) a využívají se k tomu detektory zemského horizontu, detektory polohy hvězd a detektory polohy Slunce. První dvě technologie jsou zpravidla založeny na speciálních kamerách a fotoaparátech, jejich velikosti a hmotnosti jsou zpravidla srovnatelné s vlastním pikosatelitem CubeSat a pro něj tedy naprosto nevhodné. Detektory polohy Slunce jsou sice malé a lehké, nepracují však ve stínu Země. Pro pikosatelit PilsenCube připravujeme složenou soustavu tří jednoduchých detektorů (pro ultrafialové, viditelné a infračervené spektrum) na každé straně pikosatelitu, která srovnáním údajů z několika stěn detekuje pozici Země a Slunce podle jejich záření v několika spektrálních oblastech. Subsystém funguje i ve stínu Země, kdy je schopen detekovat její pozici podle tepelné emise v infračerveném pásmu.

K určení polohy pikosatelitu je možné využít palubní GPS přijímač, který je ovšem pro pikosatelity CubeSat také nevhodný. Vyžaduje anténu na omezeném povrchu, má vysoký příkon a protože pohyb na nízkých drahách překračuje CoCom limity (omezení vývozu strategických technologií), je třeba získat specializovaný přijímač pro využití v kosmu. Jiný způsob určení polohy pikosatelitu je stejný jako při určování polohy pikosatelitu v pozemní stanici. Na základě znalosti času a orbitálních parametrů je možné jeho polohu dopočítat. Tento způsob však není autonomní, protože pikosatelit potřebuje rádiový kontakt s řídícím střediskem pro nahrání parametrů orbitální dráhy a seřízení času interních hodin, což komplikuje obnovení činnosti pikosatelitu po havarijním stavu. Pro pikosatelit PilsenCube jsme připravili originální technologii, která využívá miniaturní přijímač rozhlasového vysílání. Analýzou dostupných stanic, využitých kmitočtových pásem, a vysílaných RDS dat lze určit oblast, nad kterou se pikosatelit pohybuje i aktuální čas. Sledováním historie určené polohy je možné odvodit parametry orbitální dráhy i bez kontaktu s řídícím střediskem. Dalším zajímavým experimentálním způsobem autonomního určení polohy pikosatelitu je srovnání údajů z magnetometru s modelem magnetického pole Země, který je sice možné v pikosatelitu PilsenCube realizovat, ale neuvažujeme o něm kvůli jednoduššímu a spolehlivějšímu způsobu určení polohy z rozhlasového vysílání.

Rychlost rotace pikosatelitů se běžně měří ve třech osách pomocí elektromechanických (MEMS) gyroskopů, které rovněž na palubě pikosatelitu PilsenCube používáme. Jako částečně mechanické prvky mohou být poškozeny při vibracích během startu rakety nebo teplotní roztažností, jejich elektronická část zase radiací. Pro zálohu měření rychlosti rotace pikosatelitu umíme využít měření palubního magnetometru (využívaného primárně pro řízení magnetických stabilizačních cívek), měření optických detektorů (využívaných primárně pro určení prostorové orientace) nebo ji umíme určit na Zemi analýzou úniků v rádiové komunikaci. Znalost rychlosti rotace pikosatelitu je důležitá pro rádiovou komunikaci a termoregulaci, kdy nesmí být příliš vysoká (komplikuje rádiovou komunikaci) ani příliš nízká (komplikuje termoregulaci).

Dosáhnout změny prostorové orientace nebo rychlosti rotace je pro pikosatelity rovněž komplikované. Na větších satelitech se používají propulzní motory (vyžadující palivo) nebo reakční kola (s nazanedbatelnou hmotností rotoru). Obojí již sice pro pikosatelity CubeSat existuje v miniaturizované podobě, spotřebovává to ovšem příliš mnoho omezených zdrojů (energie, hmotnostní limity, prostorové limity). Reakční kola navíc mohou mít problémy s možným poškozením ložisek během startovních vibrací rakety nebo při činnosti kvůli problémům s mazáním ve vakuu a stavu beztíže. Hojně využívanou možností pro pikosatelity CubeSat jsou magnetické stabilizační cívky, které při protékání proudem vytváří magnetické pole reagující silově s magnetickým polem Země. Aby regulace otáček nebo změna polohy probíhala v požadovaném smyslu, je třeba změřit vektor magnetického pole Země (magnetometrem) a správně zvolit polaritu proudu třemi ortogonálními cívkami. Aby regulace byla dostatečně rychlá, musí cívky vytvářet dostatečný magnetický moment. Ten získáme velkým počtem závitů cívky (při nárůstu hmotnosti) nebo velkým protékaným proudem (nárůst spotřeby energie). Toto vytváří zajímavou úlohu pro optimalizaci z hlediska dostupných limitů příkonu a spotřeby vlastních cívek. V pikosatelitu PilsenCube využíváme tento systém tří ortogonálních cívek, jejichž návrh byl volen s ohledem na požadavek rychlé reakce stabilizace.

Výzkum a vývoj technologie spolehlivých pikosatelitů byl v letech 2009 až 2011 podporován Grantovou agenturou České republiky v rámci projektu "Energeticky úsporná platforma pro experimentální výzkum na bázi pikosatelitů" pod registračním číslem 102/09/0455. Projekt má vlastní webové stránky: www.pilsencube.zcu.cz

Stabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCubeStabilizační subsystém pikosatelitu PilsenCube