O projektu

Projekt PilsenCUBE

V našem projektu si klademe za cíl s finanční podporou Grantové agentury České Republiky postavit na Fakultě elektrotechnické v Plzni pikosatelit třídy CubeSat s využitím moderních poznatků vědy v oblasti komunikačních a napájecích systémů. V kolektivu mladých pracovníků fakulty a vybraných studentů provedeme základní výzkum obvodového řešení stávajících úspěšných i neúspěšných pikosatelitů CubeSat s ohledem na rozbor jejich spolehlivosti a efektivnosti napájecích a komunikačních subsystémů. Na základě analýzy navrhneme optimální řešení spolehlivé a energeticky úsporné platformy pikosatelitu pro experimentální výzkum v kosmu.

Těleso pikosatelitu PilsenCUBE

Univerzitní pikosatelit PilsenCUBE.

Cíle řešení projektu

Cílem projektu PilsenCUBE je zabývat se nedostatky stávajících unifikovaných pikosatelitů CubeSat, které se nyní využívají zejména v univerzitním prostředí pro jednoduché vědecké experimenty nebo jako demonstrátory nových technologií. Chceme hledat jejich efektivní řešení pro zvýšení spolehlivosti a využitelnosti. Nedostatky technologie pikosatelitů CubeSat jsou převážně způsobeny velmi omezujícími limity na velikost a hmotnost pikosatelitu a také přístupem k návrhu jednotlivých elektronických subsystémů pikosatelitu. Všechny faktory poté způsobují krátkou životnost pikosatelitu v podmínkách na nízké oběžné dráze Země. Klíčové oblasti, které je nutné u pikosatelitů CubeSat stále řešit a na které se cílíme, jsou následující:

  • zvýšení radiační odolnosti elektronických systémů pikosatelitu
  • zajištění dostatku elektrické energie pro napájení pikosatelitu
  • zvýšení přenosové kapacity pro přenos experimentálních dat z pikosatelitu

Hmotnostní limit 1,33 kg nedovoluje realizovat příliš účinné radiační stínění pikosatelitu. Některé pikosatelity byly kvůli maximálnímu odlehčení vyneseny na oběžnou dráhu pouze s tzv. skeletonovou strukturou (těleso satelitu tvořeno pouze rámem bez plných hliníkových stěn), jejich životnost je ale pak v řádu týdnů či několika málo měsíců. Velkou roli zde hraje výběr použitých elektronických součástek. Radiačně odolné součástky ve třídě „military“ nebo „space“ jsou pro většinu malých týmů cenově i množstvím nedostupné. Mívají navíc zvýšenou spotřebu energie, proto se v těchto projektech téměř nepoužívají. I ze standardně dostupných elektronických součástek se dají vybrat radiačně odolnější série, nebývají však za tímto účelem výrobcem testovány, provedení vlastních testů je časově zdlouhavé a často nebývá k dispozici pracoviště s radiačním zdrojem. Radiační opatření se u většiny týmů omezují pouze na určitý předvýběr typů součástek podle výrobní technologie a hustoty integrace, což je ovšem z hlediska spolehlivosti pikosatelitu nedostatečné řešení, jak ukázali naše vlastní testy radiační odolnosti běžných součástek.

Dalším závažným problémem pikosatelitů CubeSat bývá nedostatek elektrické energie. Ten je způsoben mnoha faktory. Malé rozměry pikosatelitu omezují i velikost plochy solárních článků, které navíc mají malou účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii. Teoreticky je možné osadit šest stěn pikosatelitu, každá přibližně s 90 cm2 plochy. Ve skutečnosti ovšem musí zůstat některá plocha neosazená kvůli vnějším senzorům (kamera, optické detektory), planárním anténám nebo rozvíjecím mechanizmům dipólových antén. Také solární články se vyrábějí v určitých základních velikostech (např. 32 cm2– tři se již na stěnu nevejdou), takže nedovolují optimální plné pokrytí stěn pikosatelitu. Účinnost v současnosti používaných solárních článků se zvyšuje použitím vícevrstvých technologií reagujících na větší rozpětí vlnových délek záření Slunce, je to ovšem vykoupeno jejich enormní cenou. Často se používají GaInP2/GaAs/Ge solární články s účinností přes 30 % (u křemíkové technologie používané v pozemních podmínkách zhruba jen 12 %), ale jejich maloobchodní cena je 1500 liber za cca 64 cm2 (www.clyde-space.com). Kvůli vyšší účinnosti spínaných měničů při vyšším napětí se zpravidla používá sériové řazení dvou solárních článků. Toto ovšem neumožňuje ve spojení s celkovým malým počtem solárních článků dostatečnou redundanci, takže porucha jednoho solárního článku (např. prasknutí vlivem vibrací při startu nebo vlivem rychlých teplotních cyklů na orbitě) nebo porucha jednoho spínaného měniče znamená ztrátu elektrické energie z celé jedné solární stěny.

Další příčinou nedostatku elektrické energie bývají selhávající akumulátory pikosatelitu. Na nízkých oběžných drahách Země pikosatelit během jednoho roku činnosti absolvuje cca 5000 cyklů, kdy se střídá fáze napájení pikosatelitu z akumulátorů během letu ve stínu Země a fáze nabíjení akumulátoru při letu na osvětlené straně Země. Opět pro omezenou celkovou hmotnost pikosatelitu se používají běžné a relativně lehké Li-Ion nebo Li-Pol akumulátory. Po velkém počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů ovšem rychle ztrácí svoji kapacitu a zvyšuje se jim vnitřní impedance. Nejsou schopny potom pokrývat požadavky na špičkové proudové odběry. Takto poškozené pikosatelity CubeSat pak často při letu ve stínu pracují v nouzovém úsporném režimu a jejich plná činnost je možná pouze při napájení ze solárních článků při letu na osvětlené straně Země.

Dalším omezujícím faktorem používání pikosatelitů CubeSat je omezená přenosová kapacita rádiového kanálu pro přenos naměřených dat do pozemního střediska. Pikosatelit na nízké oběžné dráze přelétává nad pozemním střediskem pouze několikrát za den, kdy délka nejdelšího možného rádiového kontaktu bývá 10 až 15 minut podle konkrétních parametrů orbitální dráhy. Omezení vysílaného výkonu radiovysílačem pikosatelitu (z důvodu chlazení i z důvodu nedostatku elektrické energie), ve spojení s dlouhou komunikační vzdáleností, s používáním radioamatérské techniky s úzkými rádiovými kanály a bez adaptace na změnu přenosových podmínek vede ve výsledku na pomalé přenosové rychlosti v řádu kbit/s. Ve stávajících projektech tak není možné přenášet objemná množství dat (video, fotografie), nebo pouze v omezené míře během několika přeletů pikosatelitu.

Všemi zmíněnými tématy se v našem projektu PilsenCUBE zabýváme a hledáme jejich efektivní řešení vhodné k aplikaci pro pikosatelity CubeSat. Vývoj malého pikosatelitu v univerzitním prostředí je unikátní příležitostí, jak přitáhnout mladé lidi nejenom k vývojové práci, ale i k základům vědecké činnosti. Pro vysokou spolehlivost pikosatelitu musí být řešení plně komplexní jako u standardních satelitů, ne-li komplexnější z důvodu velmi neúprosných limitů (subsystémy musí být extrémně lehké, s velmi malou spotřebou, musí odolávat teplotním cyklům při letu pikosatelitu ve stínu a na sluneční straně Země, musí se vyrovnat s poruchovými stavy způsobenými vysoko energetickými částicemi, musí projít přísnými testy odolnosti na vibrace při startu rakety, musí se volit vhodné konstrukční materiály s ohledem na odpařování nebezpečných látek ve vakuu za zvýšené teploty, atd.). Přitom takovouto vědeckou a vývojovou činnost lze realizovat za zlomek ceny oproti vývoji standardního satelitu, protože značnou část nákladů tvoří vlastní vypuštění, kde se cena odvíjí od hmotnosti a požadavků na dráhu satelitu.

 

Tento projekt s názvem "Energeticky úsporná platforma pro experimentální výzkum na bázi pikosatelitů"
je řešen s podporou Grantové agentury České republiky a registrován pod číslem 102/09/0455.