Technické informace

Základní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCube

Mechanické řešení pikosatelitu PilsenCube

Jedním z důležitých kroků v počátečních fázích vývoje pikosatelitu je stanovení několika základních parametrů, v rámci nichž se budou jednotlivé subsystémy pikosatelitu navrhovat. Musí se stanovit přibližná hmotnostní bilance a energetická bilance pikosatelitu a jeho subsystémů s určitou rezervou ponechanou na neočekávané situace během vývoje. Při hmotností bilanci se stanovují maximální hmotnosti jednotlivých subsystémů pikosatelitu tak, aby nebyl překročen maximální povolený limit (1,33 kg pro pikosatelit třídy CubeSat o základní velikosti dle specifikací CDS rev. 12). Při energetické bilanci se stanovují dlouhodobé průměrné energetické příkony subsystémů tak, aby nedošlo k překročení výkonu dodávaného napájecím subsystémem. Stanovují se také nominální okamžité příkony při plné činnosti, aby nemohlo dojít k přetížení napájecí sběrnice v okamžiku aktivace příliš mnoha subsystémů najednou, dále se stanovují příkony v úsporném režimu při zachování omezené činnosti a minimální příkon při vypnutí subsystému.

Hmotnostní a energetická bilance pikosatelitu PilsenCube

Při vlastním návrhů bilancí se zpravidla nejdříve vychází z předchozích misí s ohledem na vlastní výzkumné cíle pikosatelitu, později se návrh upřesňuje při znalosti vlastností prototypů jednotlivých subsystémů. Pikosatelit zpravidla obsahuje tyto subsystémy, mezi které se musí hmotnosti a příkony rozdělit:

  • Subsystém řídícího počítače a interní datové komunikace mezi subsystémy
  • Subsystém rádiové komunikace pro spojení s řídícím střediskem
  • Subsystém elektrického napájení
  • Subsystém pro určení a změnu prostorové orientace a polohy
  • Subsystém mechanický
  • Subsystém měřící
  • Subsystém vědeckých experimentů (tzv. payload)

U všech misí není zcela jednotná metodika, co do kterého subsystému započítávat, takže nelze projekty přímo mezi sebou srovnávat, ale určitou představu může poskytnout následující tabulka s rozdělením hmotností u několika podobných projektů, ovšem s dřívějším limitem celkové hmotnosti 1 kg.

  Mechanika Řízení Komunikace Napájení Stabilizace Payload Ostatní Rezerva
czCube  150g  50g  150g  150g  100g  350g  -  50g
AdeSat  330g  110g  130g  200g  80g  70g  20g  60g
AAUSat  131g  50g  193g  190g  160g  170g  -  106g
Robusta  200g  150g  250g  250g  -  150g  -  -
Leicester CubeSat  170g  74g  165g  164g  105g  160g  20g  142g
Move  330g  50g  230g  220g  20g  100g  50g  -
SedSat-II  300g  50g  100g  225g  100g  200g  -  25g

Pro pikosatelit PilsenCUBE máme hmotnostní limity stanoveny s prioritou pro komunikační a napájecí subsystém (ověřování technologií superkapacitorů a výklopných solárních stěn, experimenty se softwarově definovaným rádiem) a také s ohledem na navýšený limit celkové hmotnosti na 1,33 kg dle následující tabulky:

  Mechanika Řízení Komunikace Napájení Stabilizace Payload Ostatní Rezerva
PilsenCUBE         270g 80g 180g 440g 100g - 50g 110g

Pikosatelit PilsenCube bude osazen solárními články TASC od firmy Spectrolab na čtyřech výklopných a šesti pevných stěnách. Při ideální orientaci vůči Slunci jsou fotovoltaické články schopné dodávat přibližně 7 W příkonu, pokud ovšem uvažujeme i neideální orientace způsobené volnou rotací pikosatelitu, pak lze očekávat průměrný příkon 4,5 W. Protože pikosatelit letí část oběžné dráhy ve stínu Země, průměrný příkon za celou orbitální dráhu činí 2,9 W. Protože všechny spínané měniče napětí a zásobníky pro uložení energie nepracují beze ztrát, lze uvažovat pouze 2,3 W pro reálné použití elektronickými subsystémy pikosatelitu.

Tato elektrická energie je subsystémům distribuována na 3.3V sběrnici a na 5V sběrnici, každá se schopností dodávat 1 A elektrického proudu. Maximální krátkodobý souběžný příkon elektronických subsystémů je tedy 8,3 W. Pro stanovení energetické bilance subsystémů pikosatelitu PilsenCube jsme definovali tyto příkony:

  • minimální příkon pro případ energetické nouze
  • příkon v úsporném režimu při omezené činnosti subsystému
  • dovolený dlouhodobý průměrný příkon subsystému pro nominální činnost
  • okamžitý příkon při nominální činnosti

Řídicí systém pikosatelitu rozhoduje podle aktuální situace (stavu nabití akumulátorů a superkapacitorů, doby do výletu ze stínu země, hlášených závadách subsystémů) o energetickém režimu pikosatelitu. Při nouzovém režimu řídicí subsystém pracuje s minimálním příkonem, snaží se deaktivovat vadné subsystémy a čeká s obnovou činnosti pikosatelitu na let na osvícené straně Země a dobití zásobníků elektrické energie. Radiomaják vysílá dle možnosti základní telemetrii s velmi omezenou střídou činnosti pro možnost diagnostiky stavu pikosatelitu na řídícím středisku. Ostatní subsystémy jsou deaktivovány. Úsporný režim znamená, že nezbytné subsystémy jsou v činnosti při minimalizovaném příkonu (řízení, měření, komunikace), subsystémy bez možnosti sníženého příkonu jsou deaktivovány. Normální režim činnosti při dostatku energie znamená, že mohou být volně plánovány energeticky náročné experimenty subsystémů tak, aby nebyl překročen jejich dovolený dlouhodobý průměrný příkon nebo okamžitý možný odběr z napájecích sběrnicí.

 

3,3V min_nouz

3,3V min_oper 3,3V nom 3,3V prům 5V min_nouz 5V min_oper 5V nom 5V prům
Řízení a interní komunikace 100mW 100mW 300mW 300mW - - - -
Radiový maják - - - - - 100mW 100mW 100mW
Konvenční rádio - - - - - - 1000mW 100mW
Softwarové rádio - - - - - - 2000mW 200mW
Napájení - samospotřeba 50mW 50mW 50mW 50mW 50mW 50mW 50mW 50mW
Řízení stabilizace - - 200mW 100mW - - 600mW 300mW
Detekce orientace - - 200mW 200mW - - 200mW 200mW
Měření - 50mW 200mW 200mW - 50mW 200mW 200mW
Ostatní - - 1000mW 50mW - - 1000mW

50mW

                 
Minimální příkon - režim nouze 150mW       50mW      
Minimální příkon - úsporný režim   200mW       200mW    
Maximální příkon - vše v činnosti     1950mW       5150mW  
Nominální příkon - normální režim       900mW       1200mW

Výsledná energetická bilance ukazuje, že při normální činnosti pikosatelitu a jeho subsystémů zbývá 200mW rezerva. Dimenzování 3.3 V napájecí sběrnice dovoluje krátkodobě souběžnou činnost všech subsystémů. Dimenzování 5V napájecí sběrnice dovoluje také krátkodobě souběžnou činnost většiny subsystémů. K přetížení zde nedochází, protože při aktivaci softwarového rádia se deaktivuje rádio konvenční (jejich souběžná činnost není technicky žádoucí).

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

Galerie obrázků celého projektu pikosatelitu PilsenCube:

Základní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCubeZákladní propozice návrhu pikosatelitu PilsenCube