COSA SONO CUBESATS?

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Una delle caratteristiche distintive dell'era moderna dell'esplorazione spaziale è la sua natura aperta. In passato, lo spazio era una frontiera accessibile solo a due agenzie spaziali federali: la NASA e il programma spaziale sovietico. Ma grazie all'emergere di nuove tecnologie e misure di riduzione dei costi, il settore privato è ora in grado di fornire i propri servizi di lancio.

Inoltre, le istituzioni accademiche e i piccoli paesi sono ora in grado di costruire i propri satelliti allo scopo di condurre ricerche atmosferiche, fare osservazioni sulla Terra e testare nuove tecnologie spaziali. È ciò che è noto come CubeSat, un satellite miniaturizzato che consente una ricerca spaziale economica.

Struttura e design:

Conosciuti anche come nanosatelliti, CubeSats sono costruiti con dimensioni standard di 10 x 10 x 11 cm (1 U) e hanno la forma di cubi (da cui il nome). Sono scalabili, disponibili in versioni che misurano 1U, 2U, 3U o 6U su un lato e in genere pesano meno di 1,33 kg (3 libbre) per U. CubSats di 3U o più sono i più grandi, essendo composti da tre unità impilate longitudinalmente con un cilindro che le racchiude tutte.

Negli ultimi anni sono state proposte piattaforme CubeSat più grandi, che includono un modello 12U (20 x 20 x 30 cm o 24 x 24 x 36 cm), che estenderebbe le capacità di CubeSat oltre la ricerca accademica e la sperimentazione di nuove tecnologie, incorporando scienze più complesse e obiettivi di difesa nazionale.

Il motivo principale per la miniaturizzazione dei satelliti è ridurre i costi di spiegamento e perché possono essere impiegati nella capacità in eccesso di un veicolo di lancio. Ciò riduce i rischi associati alle missioni in cui il carico aggiuntivo deve essere trasferito sulle spalle al lanciatore e consente anche di cambiare il carico con breve preavviso.

Possono anche essere realizzati utilizzando componenti elettronici commerciali standard (COTS), il che li rende relativamente facili da creare. Poiché le missioni di CubeSats vengono spesso effettuate in orbite terrestri molto basse (LEO) e sperimentano il rientro atmosferico dopo pochi giorni o settimane, le radiazioni possono essere in gran parte ignorate e si può usare l'elettronica standard di consumo.

CubeSats sono realizzati con quattro tipi specifici di lega di alluminio per garantire che abbiano lo stesso coefficiente di dilatazione termica del veicolo di lancio. I satelliti sono inoltre rivestiti con uno strato di ossido protettivo lungo qualsiasi superficie che viene a contatto con il veicolo di lancio per impedire che vengano saldati a freddo in posizione da sollecitazioni estreme.

Componenti:

CubeSats spesso trasporta più computer di bordo per svolgere attività di ricerca, oltre a fornire controllo dell'atteggiamento, propulsori e comunicazioni. In genere, sono inclusi altri computer di bordo per garantire che il computer principale non sia sovraccaricato da più flussi di dati, ma tutti gli altri computer di bordo devono essere in grado di interfacciarsi con esso.

In genere, un computer primario è responsabile della delega di attività ad altri computer, come il controllo dell'atteggiamento, i calcoli per le manovre orbitali e le attività di pianificazione. Tuttavia, il computer principale può essere utilizzato per attività correlate al payload, come l'elaborazione delle immagini, l'analisi dei dati e la compressione dei dati.

I componenti miniaturizzati forniscono il controllo dell'atteggiamento, generalmente costituito da ruote di reazione, magnetori, propulsori, inseguitori a stella, sensori solari e terrestri, sensori di frequenza angolare e ricevitori e antenne GPS. Molti di questi sistemi vengono spesso utilizzati in combinazione per compensare le carenze e fornire livelli di ridondanza.

I sensori del sole e della stella vengono utilizzati per fornire il puntamento direzionale, mentre il rilevamento della Terra e del suo orizzonte è essenziale per condurre studi sulla Terra e sull'atmosfera. I sensori solari sono anche utili per garantire che CubsSat sia in grado di massimizzare il suo accesso all'energia solare, che è il mezzo principale per alimentare un CubeSat, in cui i pannelli solari sono incorporati nell'involucro esterno dei satelliti.

Nel frattempo, la propulsione può presentarsi in diverse forme, che coinvolgono tutti i propulsori miniaturizzati che forniscono piccole quantità di impulso specifico. I satelliti sono anche soggetti al riscaldamento radiativo proveniente dal sole, dalla terra e dalla luce solare riflessa, per non parlare del calore generato dai loro componenti.

Come tale, CubeSat viene anche fornito con strati isolanti e riscaldatori per garantire che i loro componenti non superino i loro intervalli di temperatura e che il calore in eccesso possa essere dissipato. I sensori di temperatura sono spesso inclusi per monitorare pericolosi aumenti o cadute di temperatura.

Per le comunicazioni, CubeSat può fare affidamento su antenne che funzionano nelle bande VHF, UHF o L, S, C e X. Questi sono per lo più limitati a 2 W di potenza a causa delle dimensioni ridotte del CubeSat e della capacità limitata. Possono essere antenne monopolari elicoidali, a dipolo o monodirezionali, sebbene vengano sviluppati modelli più sofisticati.

Propulsione:

CubeSats si basa su molti diversi metodi di propulsione, che a sua volta hanno portato a progressi in molte tecnologie. I metodi più comuni includono gas freddo, prodotti chimici, propulsione elettrica e vele solari. Un propulsore a gas freddo si basa su gas inerte (come l'azoto) che viene immagazzinato in un serbatoio e rilasciato attraverso un ugello per generare spinta.

Con l'avanzare dei metodi di propulsione, è il sistema più semplice e utile che CubeSat può utilizzare. È anche uno dei più sicuri, poiché la maggior parte dei gas freddi non sono né volatili né corrosivi. Tuttavia, hanno prestazioni limitate e non possono ottenere manovre ad alto impulso. Ecco perché sono generalmente utilizzati nei sistemi di controllo dell'assetto e non come propulsori principali.

I sistemi di propulsione chimica si basano su reazioni chimiche per produrre gas ad alta pressione e alta temperatura che viene quindi diretto attraverso un ugello per creare spinta. Possono essere liquidi, solidi o ibridi e di solito si riducono alla combinazione di sostanze chimiche combinate con catalizzatori o ossidanti. Questi propulsori sono semplici (e possono quindi essere miniaturizzati facilmente), hanno bassi requisiti di potenza e sono molto affidabili.

La propulsione elettrica si basa sull'energia elettrica per accelerare le particelle cariche a velocità elevate, ovvero. Propulsori ad effetto hall, propulsori ionici, propulsori al plasma pulsati, ecc. Questo metodo è vantaggioso in quanto combina un alto impulso specifico con un'alta efficienza e i componenti possono essere facilmente miniaturizzati. Uno svantaggio è che richiedono energia aggiuntiva, il che significa celle solari più grandi, batterie più grandi e sistemi di alimentazione più complessi.

Le vele solari sono anche usate come metodo di propulsione, il che è vantaggioso perché non richiede propellente. Le vele solari possono anche essere ridimensionate in base alle dimensioni del CubSat e la piccola massa del satellite determina una maggiore accelerazione per una determinata area della vela solare.

Tuttavia, le vele solari devono ancora essere piuttosto grandi rispetto al satellite, il che rende la complessità meccanica un'ulteriore fonte di potenziale guasto. Al momento, pochi CubeSat hanno impiegato una vela solare, ma rimane un'area di potenziale sviluppo poiché è l'unico metodo che non ha bisogno di propellente o coinvolge materiali pericolosi.

Poiché i propulsori sono miniaturizzati, creano diverse sfide e limitazioni tecniche. Ad esempio, il vettore di spinta (ad es. Gimbali) è impossibile con i propulsori più piccoli. Come tale, il vettore deve invece essere ottenuto usando più ugelli per spingere asimmetricamente o usando componenti azionati per cambiare il centro di massa rispetto alla geometria di CubeSat.

Storia:

A partire dal 1999, la California Polytechnic State University e la Stanford University hanno sviluppato le specifiche CubeSat per aiutare le università di tutto il mondo a svolgere attività spaziali ed esplorative. Il termine "CubeSat" è stato coniato per indicare i nano-satelliti che aderiscono agli standard descritti nelle specifiche di progettazione di CubeSat.

Questi sono stati elaborati dal professore di ingegneria aerospaziale Jordi Puig-Suari e Bob Twiggs, del Dipartimento di Aeronautica e Astronautica dell'Università di Stanford. Da allora è cresciuto fino a diventare una partnership internazionale di oltre 40 istituti che stanno sviluppando nano-satelliti contenenti payload scientifici.

Inizialmente, nonostante le loro piccole dimensioni, le istituzioni accademiche erano limitate in quanto erano costrette ad aspettare, a volte anni, un'opportunità di lancio. Ciò è stato in parte risolto dallo sviluppo del Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (altrimenti noto come P-POD), dal Politecnico della California. I P-POD sono montati su un veicolo di lancio e portano in orbita CubeSat e li distribuiscono una volta ricevuto il segnale corretto dal veicolo di lancio.

Lo scopo di questo, secondo JordiPuig-Suari, era "ridurre il tempo di sviluppo del satellite al periodo della carriera di uno studente universitario e sfruttare le opportunità di lancio con un gran numero di satelliti". In breve, i P-POD assicurano che molti CubeSat possano essere lanciati in qualsiasi momento.

Diverse aziende hanno costruito CubeSats, tra cui Boeing, produttore di grandi satelliti. Tuttavia, la maggior parte dello sviluppo proviene dal mondo accademico, con un record misto di CubeSats orbitati con successo e missioni fallite. Fin dal loro inizio, CubeSats è stato utilizzato per innumerevoli applicazioni.

Ad esempio, sono stati utilizzati per implementare sistemi di identificazione automatica (AIS) per monitorare le navi marine, distribuire sensori remoti terrestri, per testare la fattibilità a lungo termine degli attacchi spaziali e condurre esperimenti biologici e radiologici.

All'interno della comunità accademica e scientifica, questi risultati sono condivisi e le risorse sono rese disponibili comunicando direttamente con altri sviluppatori e partecipando ai seminari di CubeSat. Inoltre, il programma CubeSat avvantaggia le aziende private e i governi fornendo un modo economico di pilotare i carichi utili nello spazio.

Nel 2010, la NASA ha creato la "CubeSat Launch Initiative", che mira a fornire servizi di lancio per le istituzioni educative e le organizzazioni no profit in modo che possano portare i loro CubeSat nello spazio. Nel 2015, la NASA ha avviato la sua Cube Quest Challenge nell'ambito dei suoi programmi per le sfide del Centenario.

Con un montepremi di $ 5 milioni, questa competizione incentivante mirava a favorire la creazione di piccoli satelliti in grado di operare oltre l'orbita terrestre bassa, in particolare nell'orbita lunare o nello spazio profondo. Alla fine della competizione, fino a tre squadre saranno selezionate per lanciare il loro design CubeSat a bordo della missione SLS-EM1 nel 2018.

La missione lander InSight della NASA (prevista per il lancio nel 2018), includerà anche due CubeSats. Questi condurranno un sorvolo di Marte e forniranno ulteriori comunicazioni di relè alla Terra durante l'ingresso e l'atterraggio del lander.

Designato Mars Cube One (MarCO), questo CubeSat sperimentale di dimensioni 6U sarà la prima missione nello spazio profondo a fare affidamento sulla tecnologia CubeSat. Utilizzerà un'antenna a banda X a schermo piatto ad alto guadagno per trasmettere dati al Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) della NASA - che poi li inoltrerà sulla Terra.

Rendere i sistemi spaziali più piccoli e più accessibili è uno dei tratti distintivi dell'era della rinnovata esplorazione dello spazio. È anche uno dei motivi principali per cui l'industria NewSpace è cresciuta a passi da gigante negli ultimi anni. E con maggiori livelli di partecipazione, stiamo assistendo a maggiori ritorni quando si tratta di ricerca, sviluppo ed esplorazione.

Abbiamo scritto molti articoli su CubeSat per Space Magazine. Ecco la Planetary Society per il lancio di tre vele solari separate, i primi CubeSats interplanetari da lanciare su InSight Mars Lander 2016 della NASA, facendo fare a CubeSats l'astronomia, cosa puoi fare con un cubesat? Questi cubesat potrebbero usare i propulsori al plasma per lasciare il nostro sistema solare.

Se desideri maggiori informazioni su CubeSat, dai un'occhiata alla home page ufficiale di CubeSat.

Abbiamo registrato un episodio di Astronomia Cast tutto sullo Space Shuttle. Ascolta qui, episodio 127: Lo Space Shuttle americano.

fonti: