من السمات المميزة للعصر الحديث لاستكشاف الفضاء الطبيعة المفتوحة له. في الماضي ، كان الفضاء حدودًا لا يمكن الوصول إليها إلا من قبل وكالتين فضاء فيدراليتين - وكالة ناسا وبرنامج الفضاء السوفيتي. ولكن بفضل ظهور تقنيات جديدة وتدابير لخفض التكاليف ، أصبح القطاع الخاص الآن قادرًا على توفير خدمات الإطلاق الخاصة به.
بالإضافة إلى ذلك ، أصبحت المؤسسات الأكاديمية والبلدان الصغيرة الآن قادرة على بناء أقمارها الصناعية لأغراض إجراء أبحاث الغلاف الجوي ، وإجراء عمليات رصد للأرض ، واختبار تقنيات فضائية جديدة. إنه ما يُعرف باسم CubeSat ، وهو قمر صناعي مصغر يسمح بإجراء أبحاث فضائية بتكلفة معقولة.
الهيكل والتصميم:
تُعرف CubeSats أيضًا باسم الأقمار الصناعية النانوية ، وهي مبنية بأبعاد قياسية تبلغ 10 × 10 × 11 سم (1 يو) وتتشكل على شكل مكعبات (ومن هنا جاءت تسميتها). إنها قابلة للتطوير ، وتأتي في إصدارات تقيس 1U أو 2Us أو 3Us أو 6Us على جانب ، ويزن عادةً أقل من 1.33 كجم (3 أرطال) لكل U. بالطول مع اسطوانة تغلفهم جميعًا.
هيكل مكعب ، حجم 1U ، بدون الجلد الخارجي. الائتمان: ويكيبيديا كومنز / سفوبودات
في السنوات الأخيرة ، تم اقتراح منصات CubeSat أكبر ، والتي تتضمن نموذج 12U (20 × 20 × 30 سم أو 24 × 24 × 36 سم) ، والذي من شأنه أن يوسع قدرات CubeSats إلى ما هو أبعد من البحث الأكاديمي واختبار التقنيات الجديدة ، بما في ذلك العلوم الأكثر تعقيدًا وأهداف الدفاع الوطني.
السبب الرئيسي لتصغير الأقمار الصناعية هو تقليل تكلفة النشر ، ولأنه يمكن نشرها في السعة الزائدة لمركبة الإطلاق. هذا يقلل من المخاطر المرتبطة بالبعثات حيث يجب تحميل حمولة إضافية على منصة الإطلاق ، ويسمح أيضًا بتغييرات البضائع في غضون مهلة قصيرة.
يمكن أيضًا صنعها باستخدام مكونات إلكترونية تجارية جاهزة (COTS) ، مما يجعلها سهلة الإنشاء نسبيًا. نظرًا لأن مهمات CubeSats غالبًا ما يتم إجراؤها إلى مدارات أرضية منخفضة جدًا (LEO) ، وتجربة إعادة الدخول إلى الغلاف الجوي بعد أيام أو أسابيع فقط ، يمكن تجاهل الإشعاع إلى حد كبير ويمكن استخدام الإلكترونيات القياسية من فئة المستهلك.
يتم تصنيع CubeSats من أربعة أنواع محددة من سبائك الألومنيوم للتأكد من أن لديهم نفس معامل التمدد الحراري مثل مركبة الإطلاق. يتم طلاء الأقمار الصناعية أيضًا بطبقة أكسيد واقية على طول أي سطح يتلامس مع مركبة الإطلاق لمنعها من أن تكون ملحومة بالبرودة في مكانها بسبب الإجهاد الشديد.
عناصر:
غالبًا ما تحمل CubeSats أجهزة كمبيوتر متعددة على متنها من أجل إجراء البحوث ، بالإضافة إلى توفير التحكم في الموقف والدوافع والاتصالات. عادةً ما يتم تضمين أجهزة الكمبيوتر الأخرى الموجودة على اللوحة للتأكد من أن الكمبيوتر الرئيسي ليس مثقلًا بتدفقات بيانات متعددة ، ولكن يجب أن تكون جميع أجهزة الكمبيوتر الأخرى الموجودة على اللوحة قادرة على التفاعل معها.
مثال على مكعبات 3U - 3 مكعبات 1U مكدسة. يمكن أن يعمل هذا الحجم المكعب كتلسكوب لنظام تلسكوب مكون من مكعبات. يمكن أن يكون نظامًا بصريًا بسيطًا بقطر 10 سم أو يستخدم بصريات قابلة للطي لتحسين قدرته على التحليل. الائتمان: LLNL
عادةً ما يكون الكمبيوتر الأساسي مسؤولاً عن تفويض المهام إلى أجهزة كمبيوتر أخرى - مثل التحكم في الموقف وحسابات المناورات المدارية وجدولة المهام. ومع ذلك ، يمكن استخدام الكمبيوتر الأساسي للمهام المتعلقة بالحمولة الصافية ، مثل معالجة الصور وتحليل البيانات وضغط البيانات.
توفر المكونات المصغرة التحكم في الموقف ، والذي يتكون عادةً من عجلات رد الفعل ، والمغناطيسات ، والدوافع ، ومتتبعات النجوم ، ومستشعرات الشمس والأرض ، ومستشعرات معدل الزوايا ، وأجهزة استقبال GPS والهوائيات. غالبًا ما يتم استخدام العديد من هذه الأنظمة معًا للتعويض عن أوجه القصور وتوفير مستويات التكرار.
تُستخدم مستشعرات الشمس والنجوم لتوفير التوجيه الاتجاهي ، بينما يعد استشعار الأرض وأفقها ضروريًا لإجراء دراسات الأرض والغلاف الجوي. تعتبر مستشعرات الشمس مفيدة أيضًا في ضمان قدرة CubsSat على زيادة وصوله إلى الطاقة الشمسية ، وهي الوسيلة الأساسية لتشغيل CubeSat - حيث يتم دمج الألواح الشمسية في الغلاف الخارجي للأقمار الصناعية.
وفي الوقت نفسه ، يمكن أن يأتي الدفع في عدد من الأشكال ، وكلها تتضمن محركات دفع مصغرة توفر كميات صغيرة من الدافع المحدد. تخضع الأقمار الصناعية أيضًا للتسخين الإشعاعي من الشمس والأرض وضوء الشمس المنعكس ، ناهيك عن الحرارة الناتجة عن مكوناتها.
هل ستطور المكعبات فرعًا تكنولوجيًا جديدًا لعلم الفلك؟ يتخذ مهندسو جودارد الخطوات اللازمة لجعل التلسكوبات ذات الحجم المكعب حقيقة واقعة. (الائتمان: NASA ، UniverseToday / TRR)
على هذا النحو ، تأتي أجهزة CubeSat أيضًا مع طبقات عازلة وسخانات لضمان عدم تجاوز مكوناتها لدرجات الحرارة ، ويمكن تبديد الحرارة الزائدة. غالبًا ما يتم تضمين مستشعرات درجة الحرارة لمراقبة الزيادات أو الانخفاضات الخطيرة في درجات الحرارة.
بالنسبة للاتصالات ، يمكن أن تعتمد أجهزة CubeSat على الهوائيات التي تعمل في نطاقات VHF أو UHF أو L- و S- و C- و X. تقتصر هذه في الغالب على 2 وات من الطاقة بسبب صغر حجم CubeSat وسعتها المحدودة. يمكن أن تكون هوائيات حلزونية أو ثنائية القطب أو أحادية الاتجاه أحادية الاتجاه ، على الرغم من تطوير نماذج أكثر تعقيدًا.
الدفع:
تعتمد الأقمار الصناعية المكعبة على العديد من طرق الدفع المختلفة ، مما أدى بدوره إلى تطورات في العديد من التقنيات. تشمل الطرق الأكثر شيوعًا الغاز البارد والدفع الكيميائي والكهربائي والأشرعة الشمسية. يعتمد دافع الغاز البارد على غاز خامل (مثل النيتروجين) يتم تخزينه في خزان ويتم إطلاقه من خلال فوهة لتوليد الدفع.
مع استمرار طرق الدفع ، يعد هذا النظام أبسط وأكثر فائدة يمكن أن تستخدمه CubeSat. كما أنه من أكثر الغازات أمانًا أيضًا ، حيث إن معظم الغازات الباردة ليست متطايرة ولا تسبب تآكلًا. ومع ذلك ، فإن أداءهم محدود ولا يمكنهم تحقيق مناورات عالية النبض. ولهذا السبب يتم استخدامها بشكل عام في أنظمة التحكم في المواقف ، وليس كمحركات دفع رئيسية.
تعد المحركات الأيونية المصغرة طريقة مفضلة لتوفير التحكم في الدفع لأقمار CubeSats. ائتمانات: ناسا
تعتمد أنظمة الدفع الكيميائي على التفاعلات الكيميائية لإنتاج غاز عالي الضغط وعالي الحرارة يتم توجيهه بعد ذلك عبر فوهة لتكوين قوة دفع. يمكن أن تكون سائلة أو صلبة أو هجينة ، وعادة ما تنخفض إلى مزيج من المواد الكيميائية مجتمعة مع محفزات أو مؤكسد. هذه الدافعات بسيطة (وبالتالي يمكن تصغيرها بسهولة) ، ولها متطلبات طاقة منخفضة وموثوقة للغاية.
يعتمد الدفع الكهربائي على الطاقة الكهربائية لتسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات عالية - ويعرف أيضًا باسم. الدافعات بتأثير القاعة ، الدافعات الأيونية ، دافعات البلازما النبضية ، إلخ. هذه الطريقة مفيدة لأنها تجمع بين النبضات النوعية العالية والكفاءة العالية ، ويمكن تصغير المكونات بسهولة. العيب هو أنها تتطلب طاقة إضافية ، مما يعني إما خلايا شمسية أكبر ، وبطاريات أكبر ، وأنظمة طاقة أكثر تعقيدًا.
تُستخدم الأشرعة الشمسية أيضًا كطريقة للدفع ، وهو أمر مفيد لأنه لا يحتاج إلى دافع. يمكن أيضًا تحجيم الأشرعة الشمسية وفقًا لأبعاد CubSat الخاصة ، وتؤدي الكتلة الصغيرة للقمر الصناعي إلى تسريع أكبر لمنطقة شراع شمسي معينة.
ومع ذلك ، لا تزال الأشرعة الشمسية بحاجة إلى أن تكون كبيرة جدًا مقارنةً بالقمر الصناعي ، مما يجعل التعقيد الميكانيكي مصدرًا إضافيًا للفشل المحتمل. في هذا الوقت ، استخدم عدد قليل من CubeSats شراعًا شمسيًا ، لكنه يظل مجالًا للتطوير المحتمل لأنه الطريقة الوحيدة التي لا تحتاج إلى وقود أو تحتوي على مواد خطرة.
LightSail-1 التابع لجمعية الكواكب هو أحد المفاهيم القليلة التي اعتمد فيها CubeSat على شراع شمسي. الائتمان: جوش سبرادلينج / جمعية الكواكب.
نظرًا لأن الدفاعات مصغرة ، فإنها تخلق العديد من التحديات والقيود التقنية. على سبيل المثال ، توجيه الدفع (أي gimbals) مستحيل مع الدافعات الأصغر. على هذا النحو ، يجب تحقيق التوجيه بدلاً من ذلك باستخدام فوهات متعددة للدفع بشكل غير متماثل أو باستخدام مكونات مشغلة لتغيير مركز الكتلة بالنسبة إلى هندسة CubeSat.
تاريخ:
ابتداءً من عام 1999 ، طورت جامعة ولاية كاليفورنيا للفنون التطبيقية وجامعة ستانفورد مواصفات CubeSat لمساعدة الجامعات في جميع أنحاء العالم على أداء علوم الفضاء والاستكشاف. تمت صياغة مصطلح 'CubeSat' للإشارة إلى الأقمار الصناعية النانوية التي تلتزم بالمعايير الموضحة في مواصفات تصميم CubeSat.
تم وضع هذه من قبل أستاذ هندسة الطيران جوردي بويج-سواري وبوب تويجز ، من قسم الملاحة الجوية والملاحة الفضائية في جامعة ستانفورد. وقد نمت منذ ذلك الحين لتصبح شراكة دولية تضم أكثر من 40 معهدًا تعمل على تطوير أقمار صناعية نانوية تحتوي على حمولات علمية.
في البداية ، على الرغم من صغر حجمها ، كانت المؤسسات الأكاديمية محدودة من حيث اضطرت إلى الانتظار ، أحيانًا لسنوات ، لفرصة الإطلاق. تم إصلاح هذا إلى حد ما من خلال تطوير Poly-PicoSatellite Orbital Deployer (المعروف أيضًا باسم P-POD) ، من قبل California Polytechnic. يتم تثبيت P-PODs على مركبة الإطلاق وتحمل CubeSats إلى المدار وتنشرها بمجرد تلقي الإشارة المناسبة من مركبة الإطلاق.
يُعد BisonSat أحد الأمثلة على مهمة CubeSat التي أطلقتها مبادرة إطلاق CubeSat التابعة لناسا في 8 أكتوبر 2015. الاعتمادات: كلية ساليش كوتيناي
كان الغرض من ذلك ، وفقًا لـ JordiPuig-Suari ، 'تقليل وقت تطوير القمر الصناعي إلى الإطار الزمني لمسيرة الطالب الجامعي والاستفادة من فرص الإطلاق مع عدد كبير من الأقمار الصناعية.' باختصار ، تضمن P-PODs إمكانية إطلاق العديد من CubeSats في أي وقت.
قامت العديد من الشركات ببناء CubeSats ، بما في ذلك شركة Boeing لصناعة الأقمار الصناعية الكبيرة. ومع ذلك ، فإن غالبية التطوير يأتي من الأوساط الأكاديمية ، مع سجل مختلط من CubeSats المدارية بنجاح والبعثات الفاشلة. منذ نشأتها ، تم استخدام CubeSats لعدد لا يحصى من التطبيقات.
على سبيل المثال ، تم استخدامها لنشر أنظمة تحديد الهوية التلقائية (AIS) لمراقبة السفن البحرية ، ونشر أجهزة استشعار عن بعد للأرض ، لاختبار صلاحية الحبال الفضائية على المدى الطويل ، فضلاً عن إجراء التجارب البيولوجية والإشعاعية.
داخل المجتمع الأكاديمي والعلمي ، تتم مشاركة هذه النتائج ويتم توفير الموارد من خلال التواصل مباشرة مع المطورين الآخرين وحضور ورش عمل CubeSat. بالإضافة إلى ذلك ، يفيد برنامج CubeSat الشركات الخاصة والحكومات من خلال توفير وسيلة منخفضة التكلفة لنقل الحمولات في الفضاء.
عرض فنان لماركو A و B أثناء نزول InSight. ناسا / مختبر الدفع النفاث- معهد كاليفورنيا للتقنية
في عام 2010 ، أنشأت وكالة ناسا ' مبادرة إطلاق كيوبسات '، والذي يهدف إلى تقديم خدمات الإطلاق للمؤسسات التعليمية والمنظمات غير الربحية حتى يتمكنوا من نقل CubeSats الخاصة بهم إلى الفضاء. في عام 2015 ، بدأت ناسا برنامج تحدي كويست كويست كجزء من برامج التحديات المئوية الخاصة بهم.
مع جائزة مالية قدرها 5 ملايين دولار ، تهدف هذه المنافسة التحفيزية إلى تعزيز إنشاء أقمار صناعية صغيرة قادرة على العمل خارج مدار الأرض المنخفض - على وجه التحديد في المدار القمري أو الفضاء السحيق. في نهاية المسابقة ، سيتم اختيار ما يصل إلى ثلاثة فرق لإطلاق تصميم CubeSat على متن SLS-EM1 مهمة في 2018.
وكالة ناسا تبصر مهمة الهبوط (المقرر إطلاقها في 2018) ، ستشمل أيضًا قاتلين CubeSats. ستعمل هذه الطائرات فوق المريخ وتوفر اتصالات ترحيل إضافية إلى الأرض أثناء دخول المسبار وهبوطه.
المحددة مكعب المريخ واحد (MarCO) ، ستكون CubeSat التجريبية بحجم 6U أول مهمة في الفضاء السحيق تعتمد على تقنية CubeSat. ستستخدم هوائي X-band مسطح الكسب عالي الكسب لنقل البيانات إلى وكالة ناسا مركبة استطلاع المريخ (MRO) - والتي ستنقلها بعد ذلك إلى الأرض.
مهندسا ناسا Joel Steinkraus و Farah Alibay يعرضان نموذجًا ميكانيكيًا واسع النطاق لـ MarCo CubeSat. الائتمان: NASA / JPL-Caltech
يعد جعل أنظمة الفضاء أصغر حجمًا وبأسعار معقولة أحد السمات المميزة لعصر استكشاف الفضاء المتجدد. إنه أيضًا أحد الأسباب الرئيسية لنمو صناعة NewSpace بسرعة فائقة في السنوات الأخيرة. ومع زيادة مستويات المشاركة ، نشهد عوائد أكبر عندما يتعلق الأمر بالبحث والتطوير والاستكشاف.
لقد كتبنا العديد من المقالات حول CubeSat for Universe Today. هنا جمعية الكواكب تطلق ثلاثة أشرعة منفصلة للطاقة الشمسية و أول CubeSats بين الكواكب يتم إطلاقها على مركبة إنسايت المريخ 2016 التابعة لوكالة ناسا و جعل CubeSats تفعل علم الفلك و ماذا يمكنك أن تفعل مع Cubesat؟ و يمكن لهذه المكعبات أن تستخدم دافعات البلازما لترك نظامنا الشمسي .
إذا كنت ترغب في مزيد من المعلومات حول CubeSat ، تحقق من CubeSat's الصفحة الرئيسية الرسمية .
لقد سجلنا حلقة من مسلسل علم الفلك تدور حول مكوك الفضاء. استمع هنا، الحلقة 127 .
مصادر:
