ESTCube-2 blogi 2-2
ESTCube-2: ettevalmistav missioon süvakosmose jaoks
Tere tulemast lugema ESTCube-2 missiooni käsitleva sarja teist artiklit. Eelmine artikkel tutvustas plasmapiduri (ehk uudse orbiidi langetamise tehnoloogia) väljatöötamise ja katsetamise motivatsiooni, tutvustas projekti algusaegu ning andis ülevaate satelliidi orbiidile saatmise ajakavast ja meesakonnast. Käesolevas artiklis keskendume satelliitplatvormile ja meie ambitsioonile teha kosmoseristsed tehnoloogiatele, mis on vajalikud alla 10 kg kaaluvate nanosatelliitide sisenemiseks süvakosmosesse ja muutudes sellega ‘nano-kosmoseaparaatideks’.
Maa madalorbiit vs süvakosmos: Mis neilt vahet on?
Suure hulga asteroidide uurimismissiooni kontseptsioon. Mitme nanosatelliidi korraga haldamiseks on vaja edasiarendusi kommunikatsiooni, navigatsiooni ja pardaautonoomia valdkondades. Kuvatõmmis Mihkel Pajusalu ja Mario F. Palose filmist "Multi-asteroid touring mission concept"Selleks, et mõista erinevust Maa madalorbiidi (LEO) satelliidi ja süvakosmoseaparaadi vahel, vaatame mõningaid tüüpilisi tehnoloogiaid, mis sageli madalorbiidi missiooni määratlevad. Tänu Maa magnetväljale, nurkkiirusele ja Päikese suuna mõõtmisele koos orbitaalmudelitega saame määrata satelliidi asendi (ehk orientatsiooni kosmoses) ning ta orbiidi parameetrid. Varustades satelliidi elektromagnetiliste täiturmehhanismidega, näiteks mähiste ja varrastega, saab selle asendit kontrollida tänu tekkivale vastastikmõjule Maa magnetväljaga. Seetõttu saab madalorbiidil oleval satelliidil miniandurite komplekti ja kolme mähise koostöös olla võimekus, mis mõõdab Maa magnetvälja, Päikese suunda ja nurkkiirust, ja suudab seetõttu muuta enda ruumasendit ≈1° täpsusega, nagu oli see näiteks satelliidil ESTCube-1.
ESTCube-2: ettevalmistav missioon süvakosmose jaoks
Nende tehnoloogiate täiendav eelis on, et need pakuvad suuremat täpsust ruumasendi info ja kontrolli osas. Tähevaatluskaamerat ehk ‘tähejälgijat’ saab kasutada lisaks tähtede abil suuna kindlaks määramisele ka lähedal asuvate planeetide ja asteroidide jälgimiseks ning nende abil kosmoselaeva asukoha hindamiseks. Tavapärane süvakosmose missioon kasutab kosmoselaevaga suhtlemiseks ja nende positsiooni määramiseks niinimetatud süvakosmosevõrke (Deep Space Network). Sellised sidevõrgud on kallid ja hallatud tavaliselt suurte kosmoseagentuuride poolt (nt NASA ja ESA), mis kasutavad neid oma teadusmissioonide jaoks. Seega peavad väikesed ja sõltumatud planeetidevahelised missioonid välja töötama ja rakendama uusi side- ja navigatsioonilahendusi. Väikeste kosmoselaevade kasuteguri maksimeerimiseks, hoides samas kulud madalal, on vaja arendada autonoomseid pardatoiminguid. Asendi määramiseks ja kontrolliks süvakosmoses (nt väljaspool Maa magnetvälja) on vaja tähejälgijat, reaktsioonirattaid ja tõukejõusüsteemi.
Madalorbiidil olevad nanosatelliidid vajavad harva tõukejõudu kasutavaid manöövreid, kuid enamik süvakosmose missioone eeldab siiski, et kosmoseaparaat jõuaks oma sihtkohta ülima täpsusega, mis vajab tihti mõningast lennutrajektoori korrigeerimist. Gaasi- või vee baasil töötavad tõukejõu süsteemid, mida kasutatakse enamasti asendikontrollimanöövriteks ei paku piisavat kiiruse muutust, ∆v (Delta-v), mida on vaja planeetidevaheliste objektideni jõudmiseks. Nagu selgitasime ka oma eelmistes artiklites, on Coulomb‘ tõukejõu (CDP) kontseptsioonil kaks rakendust; madalorbiidilt (LEO) satelliitide alla toomine plasmapiduri abil ja manöövrid elektrilise päikesetuulepurje (e-puri) režiimil süvakosmoses. Kuigi ESTCube-2 hakkab opereerima Maa madalorbiidil, sisaldab selle platvorm tähejälgijat, reaktsioonirattaid, külmgaasi tõukejõusüsteemi ja e-purje eksperimenti, mis kõik aitavad testida ja kavandada tulevasi missioone süvakosmosesse.
Platvorm
ESTCube-1 missioonist saadud õppetunnid ning aina keerukamaks muutunud kuupsatelliitide disain viisid meeskonna otsuseni end mitmel viisil proovile panna: esiteks töötada välja ja viia läbi plasmapidurikatse, testides plasmapiduri sobivust tõhusa orbiidi katkestamise tehnoloogiana; ehk kerida välja kuni 300 meetrit traati, mille tarbeks on vaja ka eraldiseisvat tõukejõusüsteemi, mis tagaks “purje heiskamiseks” vajaliku tsentrifugaaljõu (vt meie eelmist artiklit ESTCube-2 plasmapiduri katse kohta); teiseks käsitleda ESTCube-2 tulevaste planeetidevaheliste nano-kosmosesõidukite eelkäijana, mis nõuab lisaks tõukejõusüsteemile tähejälgija ja reaktsioonirataste testimist asendi ja orbiidi kontrollimiseks; kolmandaks, integreerida satelliidiplatvorm võimalikult kompaktselt, jättes lisaruumi täiendavale teaduslastile.
Tavaliselt töötatakse satelliidid välja mõne kosmoseagentuuri jaoks ning ta kaalub sadu või isegi tuhandeid kilogramme ja maksab kümneid kuni sadu miljoneid eurosid.Aastatuhande vahetusel tekkisid aga kuupsatelliidid ja kosmosetööstust hakkas üha enam arendama erasektor ehk NewSpace, mis vanu põhimõtteid järk-järgult muutma hakkas.2010. aastate keskpaigaks viidi orbiidile enam kui sada kuupsatelliiti aastas, Planet Labs demonstreeris 3-5-meetrise maapinna eraldusvõimega pilte, mis on pildistatud kolmeühikulise (umbes 10 × 10 × 30 cm) kuupsatelliidi abil ja SpaceX alustas äriklientidele starditeenuse pakkumist. Sellises maailmas soovis ka ESTCube-2 meeskond teha vähemaga rohkem ehk teisisõnu suurendada satelliidi tootlikkust.
ESTCube-1 disain on kuupsatelliidi disaini tüüpiline näide. Illustratsioon Rute Marta JansoneESTCube-2 insenerimeeskond valis kohandatud paigutuse, mis aitab trükkplaatide hulka valutult integreerida ka mahukad komponendid, nagu reaktsioonirattad ja tähejälgija. Paigutus sarnaneb tüüpilise kuupsatelliidi virnaga, kuid trükkplaadid on üksteisele lähemal ja sisaldavad väljalõikeid mahukate komponentide tarbeks. Lisaruum saavutatakse tavalise siiniliidese asendamisel kompaktsete pistikutega, mis on paigutatud trükkplaatide eri külgedele ja funktsionaalsed plokid nende vahetusse lähedusse. Tavalisel kuupsatelliidil katavad satelliiti külgpaneelid, mis pakuvad mehaanilist tuge ja kiirgusvarjestust ning kinnitusi päikesepaneelidele.
Satelliidi sisekomponendid ESTCube-2 mudelil. 3D modellatsioon Guillarme Le Bonhomme
ESTCube-2 sateliidi trükkplaadid ja peamine siin. Foto Laila KaasikESTCube-2 puhul on külgpaneelidel täiendavad trükkplaadid, mis vastutavad päikesesensorite ja päikesepaneelide ühendamise ning satelliidi siini funktsioonide jaotamise eest. Selliseid „nutikaid” külgpaneele kasutatakse ka korrosioonikatsete läbiviimiseks (täpsemalt allpool). Selles kohandatud konfiguratsioonis sisaldab ESTCube-2 kõiki süvaruumiplatvormi põhikomponente, nagu GOMSpace’i NanoProp külmgaasi tõukejõusüsteem, eritellimusel valmistatud tähejälgija ja Hyperion Technologies’i toodetud hoorattad, mis mahub kõik ühe kuupsatelliidi ühiku sisse.
Sekundaarne last
ESTCube-2 pardal on kaks sekundaarset kasulikku lasti. Esimene on maavaatluskaamerate eksperiment (Earth Observation Payload, EOP), mis koosneb kahest kaamerast. Need kujutavad planeeti kahes erinevas spektraalvahemikus ning maapinna eraldusvõime on 20–30 meetrit piksli kohta, sõltuvalt orbiidi kõrgusest. Kaameratelt saadud andmete abil hinnatakse Maa taimkatte indeksi, mis kvantifitseerib kaadrisse jäänud klorofülli koguse, võrreldes signaali erinevust infrapuna-lähedase spektriosa ja punase spektriosa vahel.
Teine last on kosmose korrosioonitesti (Corrosion Testing in Space, CTS) eksperiment, milles uuritakse erinevate kattematerjalide söövitumise kiirust madalorbiidil, kus need puutuvad kokku atomaarse hapnikuga. Selleks on välja töötatud patenteeritud korrosioonikatsesüsteemide moodul, mis võimaldab korraga testida kuni 15 erinevat materjali. Kokkupuude atomaarse hapnikuga söövitab materjale kosmoses eri kiirusega ja moodul tekitab tuvastatava signaali, kui materjalid on kahjustada saanud ette nähtud piirini. Muude materjalide kõrval kasutatakse moodulit ka Tartu Ülikoolis välja töötatud uudse nanostruktureeritud katte toimivuse testimiseks.
ESTCube-2 maavaatluskaamera 3D mudel. Modellatsioon Silvar Muru
Korrosioonitesti satelliitmoodul on kompaktne, mõõtmetelt vaid 65 x 41 mm.See koosneb trükkplaadist sensoritega, erinevatest materjalidest (pildil) ja katteplaadist, mis jätab materjalid avatuks hapnikukorrosioonile kosmoses. Foto Maido MerisaluJärgmised sammud
ESTCube-2 satelliidi põhiülesanne on lahendada kosmoseprügi probleem, demonstreerides Maa madalorbiidil plasmapiduri tehnoloogia abil orbiidi langetamist ja samuti valmistuda eelseisvateks süvakosmose missioonideks. Kuna satelliit on praegu viimases projekteerimisetapis ja jõuab peagi lennumudeli kokkupaneku etappi, on meil ees palju tööd ja õppetunde. Nii pisike kui satelliit ka pole, oleme selle pardale mahutanud mitmesuguseid eksperimente, lisaks plasmapidurile, maavaatluskaameratele ja korrosioonimooduli katsetele peab satelliit õppima täitma tulevaste planeetidevaheliste missioonide jaoks vajalikke ülesandeid, mille tarbeks saab ta kasutada tähejälgijat ja võimekat asendikontrollisüsteemi. See on ühele väikesele nanosatelliidile kandmiseks äärmiselt suur koorem. See aga pole veel kõik. Kuna meeskond laiendab uue tarkvara kirjutamisega pidevalt ESTCube-2 funktsionaalsust, loodame demonstreerida ka uusi orbitaalnavigatsiooni ja asendikontrolli lahendusi. Hoidke pöialt meie 2022. aastal toimuvale stardile!
Originaali autor: Andris Slavinskis
Kaasautorid: Hans Teras, Janis Dalbins, Kristo Allaje, Silvia-Kristiin Kask, Kadri Bussov, Erik Ilbis, Hendrik Ehrpais, Mihkel Pajusalu, Antti Tamm, Pekka Janhunen, Petri Toivanen, Joosep Kivastik, Maido Merisalu
Originaali toimetaja: Silvia Kristiin Kask
Kujundus: Anna Maskava, Rute Maria Jansone ja Guillaume Le Bonhomme
Korrektuur: Robert B. Davis
Eestikeelne tõlge: Lyra Translations OÜ
Eestikeelne toimetus: Hans Teras
