אחד המאפיינים המגדירים את העידן המודרני של חקר החלל הוא הטבע הגלוי בו. בעבר החלל היה גבול שהיה נגיש רק לשתי סוכנויות חלל פדרליות - נאס"א ותוכנית החלל הסובייטית. אך בזכות הופעתן של טכנולוגיות חדשות ואמצעי חיסכון בעלויות, המגזר הפרטי מסוגל כעת לספק שירותי שיגור משלהם.
בנוסף, מוסדות אקדמיים ומדינות קטנות מסוגלים כיום לבנות לוויינים משלהם לצורך ביצוע מחקר אטמוספרי, לערוך תצפיות על כדור הארץ ולבחון טכנולוגיות חלל חדשות. זה מה שמכונה CubeSat, לוויין ממוזער המאפשר חקר חלל חסכוני.
מבנה ועיצוב:
CubeSats, המכונה גם ננו-סאטליטים, בנוי בממדים סטנדרטיים של 10X10X11 ס"מ (1 U) וצורתם קוביות (ומכאן השם). הם ניתנים להרחבה, ומגיעים בגרסאות המודדות 1U, 2Us, 3Us או 6Us בצד, ובדרך כלל שוקלים פחות מ- 1.33 ק"ג (3 פאונד) לכל U. CubSats של 3Us ומעלה הם הגדולים ביותר, המורכבים משלוש יחידות מוערמות לאורכו כשצילינדר מכסה את כולם.
בשנים האחרונות הוצעו פלטפורמות CubeSat גדולות יותר, הכוללות דגם 12U (20 x 20 x 30 ס"מ או 24 x 24 x 36 ס"מ), אשר יאריך את היכולות של CubeSats מעבר למחקר אקדמי ובדיקת טכנולוגיות חדשות, תוך שילוב מדע מורכב יותר ויעדי ההגנה הלאומית.
הסיבה העיקרית למיניאטורי לוויינים היא הפחתת עלות הפריסה, ומכיוון שניתן לפרוס אותם בכמות העודפת של רכב שיגור. זה מצמצם את הסיכונים הכרוכים במשימות בהן יש להחזיר מטען נוסף למשגר, ומאפשר גם שינויי מטען בהתראה קצרה.
ניתן לייצר אותם גם באמצעות רכיבי אלקטרוניקה מסחריים מחוץ למדף (COTS), מה שמקל עליהם ליצור יחסית. מכיוון שמשימות CubeSats מתבצעות לעתים קרובות למסלולי כדור הארץ הנמוכים ביותר (LEO), וחווים חזרות אטמוספרית לאחר ימים או שבועות בלבד, ניתן להתעלם מקרינה במידה רבה וניתן להשתמש במוצרי אלקטרוניקה סטנדרטיים בדרגה צרכנית.
CubeSats בנויים מארבעה סוגים ספציפיים של סגסוגת אלומיניום כדי להבטיח שיש להם אותו מקדם התפשטות תרמי כמו רכב השיגור. הלוויינים מצופים גם בשכבת תחמוצת מגן לאורך כל משטח שבא במגע עם רכב השיגור בכדי למנוע הקמת ריתוך במקום על ידי לחץ קיצוני.
רכיבים:
CubeSats לעיתים קרובות נושאים מחשבים רבים על גבי הלוח לצורך ביצוע מחקר, כמו גם מספקים בקרת גישה, דחפים ותקשורת. בדרך כלל, כלולים מחשבים אחרים על גבי הלוח בכדי להבטיח שהמחשב הראשי לא יעמוס על ידי זרמי נתונים מרובים, אך כל שאר המחשבים הנמצאים על גבי הלוח חייבים להיות מסוגלים להתממשק אליו.
בדרך כלל, מחשב ראשוני אחראי על האצלת משימות למחשבים אחרים - כגון בקרת גישה, חישובים לתמרוני מסלול ומשימות תזמון. עדיין, המחשב הראשי עשוי לשמש למשימות הקשורות לטעינה, כגון עיבוד תמונה, ניתוח נתונים ודחיסת נתונים.
רכיבים ממוזערים מספקים בקרת גישה, המורכבת בדרך כלל מגלגלי תגובה, מגנטים, דחפים, עוקבי כוכבים, חיישני שמש וכדור הארץ, חיישני קצב זווית, ומקלטי GPS ואנטנות. רבות ממערכות אלה משמשות לרוב בשילוב על מנת לפצות על החסרונות, וכדי לספק רמות יתירות.
חיישני שמש וכוכבים משמשים לספק הצבעה כיוונית, ואילו חישה בכדור הארץ ובאופק שלו חיונית לביצוע מחקרי כדור הארץ והאטמוספירה. חיישני שמש מועילים גם להבטיח כי ה- CubsSat מסוגל למקסם את הגישה שלו לאנרגיה סולארית, שהיא האמצעי העיקרי להפעלת CubeSat - שם משולבים פאנלים סולאריים בתוך המעטפת החיצונית של הלוויינים.
בינתיים, ההנעה יכולה לבוא במספר צורות, שכולן כוללות דחפים ממוזערים המספקים כמויות קטנות של דחף ספציפי. לוויינים נתונים גם לחימום קרינתי מהשמש, האדמה ואור השמש המשתקף, שלא לדבר על החום הנוצר על ידי מרכיביהם.
ככאלה, CubeSat מגיעים גם עם שכבות בידוד ומחממים כדי להבטיח שהרכיבים שלהם לא יחרגו את טווחי הטמפרטורה שלהם, וכי ניתן לפזר חום עודף. חיישני טמפרטורה כלולים לרוב כדי לפקח על עלייה או ירידה בטמפרטורה מסוכנת.
לתקשורת, CubeSat's יכולים להסתמך על אנטנות שעובדות ברצועות VHF, UHF או L-, S-, C- ו- X. אלה מוגבלים לרוב להספק של 2 וולט בגלל הגודל הקטן של CubeSat ויכולתו המוגבלת. הם יכולים להיות אנטנות מונופוליות סליליות, דיפולות או מונו-כיווניות, אם כי מפותחים דגמים מתוחכמים יותר.
הנעה:
CubeSats מסתמכים על שיטות רבות של הנעה, מה שהביא בתורו להתקדמות בטכנולוגיות רבות. השיטות הנפוצות ביותר כוללות מפרשי גז קר, כימיה, הנעה חשמלית ומפרשי שמש. מותחן גז קר מסתמך על גז אינרטי (כמו חנקן) שנאגר במיכל ומשתחרר דרך זרבובית ליצירת דחף.
ככל ששיטות ההנעה עוברות, זו המערכת הפשוטה והשימושית ביותר ש- CubeSat יכולה להשתמש בה. זהו גם אחד הבטוחים ביותר, מכיוון שרוב הגזים הקרים אינם נדיפים ואינם מאכלים. עם זאת, הם בעלי ביצועים מוגבלים ואינם יכולים להשיג תמרוני דחף גבוהים. מכאן מדוע הם משמשים בדרך כלל במערכות של בקרת גישה, ולא כגורמי דחיפה עיקריים.
מערכות הנעה כימית מסתמכות על תגובות כימיות לייצור גז בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה אשר מכוון דרך זרבובית ליצירת דחף. הם יכולים להיות נוזליים, מוצקים או היברידיים, ולרוב מסתכמים בשילוב של כימיקלים בשילוב זרזים או מחמצן. דחפנים אלה הם פשוטים (ולכן ניתן למזער אותם בקלות), בעלי דרישות הספק נמוכות, והם אמינים מאוד.
הנעה חשמלית מסתמכת על אנרגיה חשמלית כדי להאיץ חלקיקים טעונים למהירויות גבוהות - aka. דוחפי אפקט הול, דוחפי יון, דוחפי פלזמה פועמים וכו '. שיטה זו מועילה מאחר והיא משלבת דחף ספציפי גבוה עם יעילות גבוהה, וניתן למזער את המרכיבים בקלות. החיסרון הוא שהם דורשים כוח נוסף, שמשמעותו תאים סולאריים גדולים יותר, סוללות גדולות יותר ומערכות כוח מורכבות יותר.
מפרשי שמש משמשים גם כשיטה להנעה, וזה מועיל מכיוון שהוא אינו דורש שום דחף. ניתן להחליף מפרשי שמש למידותיו של CubSat עצמו, והמסה הקטנה של הלוויין מביאה לתאוצה גדולה יותר לאזור מפרש סולארי נתון.
עם זאת, מפרשי השמש עדיין צריכים להיות גדולים למדי לעומת הלוויין, מה שהופך את המורכבות המכנית למקור נוסף לכישלון פוטנציאלי. נכון לעכשיו, מעטים מ- CubeSats השתמשו במפרש סולארי, אך הוא נותר אזור של התפתחות פוטנציאלית מכיוון שזו השיטה היחידה שאינה זקוקה לחומר דחף או שיש בה חומרים מסוכנים.
מכיוון שהדוחפים ממוזערים, הם יוצרים כמה אתגרים טכניים ומגבלות. לדוגמה, וקטור דחף (כלומר גימבאלס) בלתי אפשרי עם דחפנים קטנים יותר. ככאלה, במקום זאת יש לבצע וקטור על ידי שימוש בזרבובים מרובים לדחיפה א-סימטרית או באמצעות רכיבים מופעלים כדי לשנות את מרכז המסה ביחס לגאומטריה של CubeSat.
היסטוריה:
החל משנת 1999 פיתחו אוניברסיטת פוליטכניקה בקליפורניה ואוניברסיטת סטנפורד את מפרט ה- CubeSat כדי לסייע לאוניברסיטאות ברחבי העולם לבצע מדעי וחקר חלל. המונח "CubeSat" הוטבע כדי לציין ננו-לוויינים העומדים בתקנים המתוארים במפרטי התכנון של CubeSat.
אלה הונחו על ידי הפרופסור להנדסת אווירונוטיקה וחלל ג'ורדי פואיג-סוארי ובוב טוויגס, מהמחלקה לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה באוניברסיטת סטנפורד. מאז הוא הפך לשותפות בינלאומית של למעלה מ- 40 מכונים המפתחים לווייני ננו המכילים עומסי מטען מדעיים.
בתחילה, למרות גודלם הקטן, המוסדות האקדמיים היו מוגבלים בכך שהם נאלצו לחכות, לפעמים שנים, להזדמנות השקה. זה תוקן במידה מסוימת על ידי התפתחותו של סניף ה- Poly-PicoSatellite Orbital Deplier (המכונה גם P-POD), על ידי קליפורניה פוליטכנית. מכשירי P-POD מותקנים על רכב שיגור ומובילים את CubeSats למסלול ומפרסים אותם ברגע שמתקבל האות הראוי מרכב השיגור.
מטרת הדברים, על פי JordiPuig-Suari, הייתה "לצמצם את זמן פיתוח הלוויין למסגרת הקריירה של סטודנט במכללה ולמנף הזדמנויות שיגור עם מספר גדול של לוויינים." בקיצור, P-PODs מבטיחים שניתן יהיה להשיק CubeSats רבים בכל זמן נתון.
מספר חברות בנו את CubeSats, כולל חברת בואינג עם יצרני לוויין גדולים. עם זאת, רוב ההתפתחות מגיעה מהאקדמיה, עם תיעוד מעורב של CubeSats שהקפה בהצלחה ומשימות כושלות. מאז הקמתן, CubeSats שימשו לאינספור יישומים.
לדוגמה, הם שימשו לפריסת מערכות זיהוי אוטומטיות (AIS) לפיקוח על כלי שיט ימיים, פריסת חיישנים מרוחקים בכדור הארץ, לבדיקת הכדאיות לטווח הרחוק של טטרי חלל, וכן לביצוע ניסויים ביולוגיים ורדיולוגיים.
בתוך הקהילה האקדמית והמדעית, תוצאות אלה משותפות ומשאבים זמינים על ידי תקשורת ישירה עם מפתחים אחרים והשתתפות בסדנאות CubeSat. בנוסף, תוכנית CubeSat מיטיבה עם חברות וממשלות פרטיות בכך שהיא מספקת דרך בעלות נמוכה להעברת מטענים בחלל.
בשנת 2010 יצרה נאס"א את "יוזמת ההשקה של CubeSat", שמטרתה לספק שירותי שיגור למוסדות חינוך וארגונים ללא כוונת רווח כדי שיוכלו להכניס את CubeSats לחלל. בשנת 2015, נאס"א יזמה את אתגר Cube Quest שלה כחלק מתוכניות המאתגרים המאה שלהם.
עם ארנק פרסים של 5 מיליון דולר, תחרות תמריצים זו נועדה לטפח יצירת לוויינים קטנים המסוגלים לפעול מעבר למסלול כדור הארץ הנמוך - במיוחד במסלול ירחי או בחלל עמוק. בתום התחרות ייבחרו עד שלוש צוותים שישיקו את עיצוב CubeSat שלהם על סיפון המשימה SLS-EM1 בשנת 2018.
משימת הנחתת InSight של נאס"א (שתוכנן להשקה בשנת 2018) תכלול גם שני CubeSats. אלה יערכו מסע של מאדים ויספקו תקשורת ממסר נוספת לכדור הארץ במהלך כניסתו של הנחתת.
CubeSat הייעודי Mars Cube One (MarCO), CubeSat ניסיוני זה בגודל 6U, יהיה המשימה הראשונה לחלל העמוק שתסתמך על טכנולוגיית CubeSat. היא תשתמש באנטנה בעלת רצועת רווח גבוהה בעלת רצועת-שטח שטוחה להעברת נתונים למערכת הסיור של Mars NASA (MRO) - ואז תעביר אותם לכדור הארץ.
הפיכת מערכות חלל לקטנות וזולות יותר היא אחד מסימני ההיכר של עידן חקר החלל המחודש. זו גם אחת הסיבות העיקריות לכך שתעשיית NewSpace גדלה בקפיצות בשנים האחרונות. ועם רמות השתתפות גדולות יותר, אנו רואים תשואות גדולות יותר כשמדובר במחקר, פיתוח ובחקר.
כתבנו מאמרים רבים אודות CubeSat עבור מגזין החלל. הנה החברה הפלנטארית שתשיק שלושה מפרשי שמש נפרדים, קוביות קוביות בין-פלנטריות ראשונות שתשיק ב- InSight Mars Lander של נאס"א 2016, לגרום לקובסאטס לעשות אסטרונומיה, מה אתה יכול לעשות עם קוביזאט ?, קוביות-ים אלו יכולות להשתמש בגרמי פלזמה כדי להשאיר את מערכת השמש שלנו.
אם תרצה לקבל מידע נוסף על CubeSat, עיין בדף הבית הרשמי של CubeSat.
הקלטנו פרק של "אסטרונומיה יצוקה" על כל מעבורת החלל. האזינו כאן, פרק 127: מעבורת החלל האמריקנית.
מקורות:
- NASA - CubeSats
- ויקיפדיה - CubeSat
- CubeSat - עלינו
- CubeSatkit
